KR100815045B1 - 전류 측정 장치 - Google Patents

Abstract

전류 운반(current-carrying) 도체(2) 내에서 특히 비접촉 방식으로 전류를 측정하기 위한 전류 측정 장치(1)는 코일 도체(4)와 이 코일 도체(4)에 연결되는 회로(5)를 구비한 코일 장치(3)를 포함하는데, 상기 코일 장치(3)는 적어도 일부분이 코일 실드(11)에 의해 둘러싸여지며, 상기 코일 실드(11) 및 회로(5)는 서로 독립적으로 접지 전위에 연결된다. 따라서 전류 측정의 정밀도가 증가된다.

Description

전류 측정 장치{CURRENT MEASUREMENT DEVICE}

도 1은 전류 측정 장치의 개략적인 평면도.

도 2는 도 1의 라인 ∏-∏를 따라 절취된 단면도.

본 발명은 전류 운반(current-carrying) 도체 내에서 비접촉 방식으로 전류를 측정하기 위한 전류 측정 장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 코일 도체와 이 코일 도체에 연결된 회로를 갖춘 코일 장치를 구비하고, 상기 코일 장치는 코일 실드에 의해 적어도 일부분이 둘러싸여진 전류 측정 장치에 관한 것이다.

고주파 전력 전류 공급원에서의 플라즈마의 여기는 예를 들어, 반도체 코팅, 플라즈마 에칭, 레이저 여기 등으로부터 공지되어 있다. 여러가지 이유로, 전류 공급원에 의해 플라즈마 시스템으로 공급되는 전류를 측정하여 감시할 필요가 있다.

100 V/m 미만의 전기장 및 전자기장에 의해 야기되는 비교적 왜곡이 적은, 최대 수십 암페어의 비교적 높은 고주파수 전류를 측정하기 위한 코일 기반 시스템이 알려져 있다.

플라즈마 기술의 신규의 개발에 있어서, 고주파 플라즈마 응용에 있어서 전류 측정에는, 0 내지 수백 MHz까지의 주파수의 전류 도체에서, 1 MHz 내지 수백 MHz의 주파수에서 100A를 더 초과하는 전류 흐름과 1000V 초과 전압, 종종 심지어 5000V 초과 전압이 존재하는 것이 요구되고 있다. 1000V 전위에서 전류 운반 도체로부터 수 cm(<10 cm)의 거리에서, 10 KV/m 이상의 간섭장이 생성되며, 또한 전류 측정에 부정적인 영향을 미치거나, 또는 일반적인 측정 장치에 의해서는 전류 측정이 불가능하게 된다.

일반적인 전류 측정 장치의 코일에 유도되는 전류는 너무 높아서 접속부에 직접적으로 방전시킬 수 없다. 특히, MHZ 범위(1-100 MHZ)에서의 신호로 1A 영역에서의 큰 전류가 측정 케이블에 의해서 측정 신호 평가 유닛에 도통되어지는 경우, 손실 및 측정 왜곡이 생성된다.

Honea 등의. "Improved construction of Rogowski coils for measurement of plasma currents", Journal of Physics E: Scientific Instruments 1974, Vol.7, 페이지 537, 538에는 측정 전류에 대한 로고브스키 코일의 사용이 개시되어 있다. 로고브스키 코일은 코일 도체에 연결하는 실드를 구비하므로, 이 실드와 코일 도체는 적어도 하나의 위치에서 동일한 전위에 연결된다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 강한 간섭장이 존재하더라도 고주파수 전류를 정밀하게 측정할 수 있는 전류 측정 장치를 제공하는 데 있다.

이러한 과제는 도입부에서 언급한 유형의 전류 측정 장치에 의해 해결될 수 있고, 상기 코일 실드 및 보호 회로는 서로 독립적으로 접지 전위에 연결되어 있다. 전류를 측정하기 위해서, 전류 운반 도체에서 전류를 표시하는 신호, 특히, 전류에 비례하는 신호가 전류 운반 도체에 의해 생성되는 자기장의 일부분을 복수의 권선으로 에워싸는 코일 도체에 생성되는 방법으로 코일 장치는 전류 운반 도체의 영역에 배열되어야 한다. 끝으로, 전류 운반 도체에서 전류를 표시하는 신호가 존재할 때, 코일 장치의 코일 도체는 바람직하게는 2개의 접속부를 갖는다. 그러한 장치를 이용하여, 고주파 플라즈마 전류 공급 시스템에서 플라즈마 여기 장치로 고주파수 전류를 도통시키는 전류 컨덕터에서 정밀도가 높은 방법으로 전류를 측정하는 것이 가능한데, 이 전류는 1 MHz 내지 수백 MHz의 주파수에서 100A 를 초과할 것이고, 10 KV/m 이상의 간섭장 세기는 측정 결과의 무시해도 좋은 왜곡을 가져오도록 한다. 따라서, 간섭에 대한 감응성(susceptibility)은 감소한다.

특히, 코일 실드 및 회로는 각각 접지 접속부를 갖는 것이 바람직하고, 접지 접속부는 서로 이격된 상태로 접지 전위에 접속된다. 이것은 또한 회로가 접지 전위에 대해 그 자신의 접속부를 갖는 것을 의미하고, 특히 등위 전류가 흐를 때의 위치에서, 이 접속은 실드의 접속에 상대적으로 공간적 분리 방법에서 적합하다. 그럼으로써, 이 측정 신호는 왜곡되지 않는 것이다.

코일 실드와 회로는 공통 접지판에 접속이 가능하다. 접지판에 대한 접속부는 등위 전류가 아니거나 거의 무시할 수 있을 등위 전류가 흐르는 정도로 서로로부터 먼 곳에 위치하는 것을 보장해야한다. 대안적으로, 회로 및 코일 실드는 상이한 접지판에 접속되는 것이 가능하다. 접지판은 매우 낮은 직류 전류 저항( < 0.1 Ω)을 갖는 인덕턴스에 의해 연결될 수 있다.

특히, 바람직한 구성에 있어서, 회로는 실드를 포함하고 이 실드는 접지 전위에 접속되도록 준비될 수 있다. 회로가 전기적으로 도통 방법으로 실드에 접속되는 경우, 접지 전위에 대한 회로의 접속부가 회로의 실드를 통해 생성될 수 있음을 의미한다.

코일 장치가 원형 방법(circular manner)으로 구성된 경우, 코일 장치는 전류 운반 도체 주위에 원형 방법으로 위치할 수 있다. 코일 장치 전류 운반 도체에 수직 평면으로 위치한다. 이러한 배치는, 특히 정밀하고 신뢰성 높은 방법으로 전류를 측정하는 것이 가능하다.

코일 실드는 또한 바람직하게는 원형 방법, 특히 중공형 토로이드(hollow body toroid)의 형태로 구성된다. 그럼으로써, 예를 들어 전류 운반 도체의 전류에 의해 생성되는 간섭 전압을 갖는 전기장에 관련된 코일 장치의 신뢰성 높은 실딩이 필요로하는 설치 공간은 소량이다.

코일 실드가 적어도 일부 개방되는 것, 특히 전류 운반 도체로부터 멀리 있는 측에서 개방되는 것이 특별한 이점이다. 특히, 실드가 외관상 개방되는 중공형 토로이드의 형태 즉, 둘레 방향으로 완전하게 폐쇄되지 않고 배치되는 것이 바람직하며, 코일 장치는 배열될 수 있다. 특히 전기장에 대하여 유효한 실딩이 초래된다. 폐쇄형(중공형) 토로이드의 형태 즉, 주변 방향으로 코일 장치를 완전하게 둘러싸는 실드는, 전자장을 완전히 차단하고, 이러한 경우 비접촉식으로 전류를 더 이상 측정할 수 없기 때문에 사용될 수 없다.

코일 실드는 바람직하게는 구리로 구성되고, 두께는 적어도 1mm이다. 이 재료로 구성된 코일 실드는 높은 전력을 방출하며, 상기 코일 실드는 고 전압을 생성하지 않고 접지 전위에 특히 잘 커플링 된다. 생성되는 열은 구리에 의해 또한 잘 방출될 수 있다.

일 구성예에서, 코일 장치는 무페라이트(ferrite-free) 방법으로, 특히, 로고브스키 코일로 구성되도록 준비될 수도 있다. 코일 장치는 바람직하게 강자성의 부분이 없다. 로고브스키 코일은 길이가 1인, 비강자성 캐리어, 특히 무페라이트 캐리어 상에 복수의 권선으로, 적어도 일부분에, 와인딩된 코일 도체를 갖는 코일로 지칭된다. 코일 도체는 캐리어의 일 단부에서부터 그 캐리어의 반대 단부까지 권선을 확장한다. 이것으로부터, 코일 도체는 권선 내측에서 뒤로 가이드 되어, 양 코일 도체 단부 또는 접속부가 서로에게 가깝게 접근 가능하다. 캐리어는 원형 방법 특히, 홈이 있는 원으로 더 구성되는 경우, 코일 장치는 전류 운반 도체 둘레에 특히 용이하게 배열될 수 있다.

로고브스키 코일의 이점은 포화 및 강자성체 왜곡 없이 생성되도록 구성되는 것이다. 이러한 이유로, 매우 높은 전류 상승율(> 40000 A/μs) 및 매우 높은 전류(> 1000 A)가 수백 MHz에서 측정될 수 있다. 로고브스키 코일을 설치하기 위해서 전류 운반 도체를 방해하지 않아도 된다. 따라서, 그것은 플라즈마 설비에서 전류를 측정하기 위한 시스템에 대한 새로운 요구에 적당하다.

회로가 적어도 하나의 임피던스, 특히, 저항을 구비하는 것이 특별한 이득이다. 임피던스, 특히 저항이 코일 장치, 특히 코일 도체의 양 접속부에 접속되고, 전류 운반 도체에서 전류에 비례하는 전압은 임피던스에 인가된다. 높은 전류를 측정하는 경우, 또한 코일 장치에서 전류도 수 암페어까지 비례적으로 높다. 이러한 전류가 측정 캐이블에 기인한 측정 신호 왜곡의 가능성 없이는 측정 캐이블을 통해, 원거리에 위치하는 평가 유닛으로 유도될 수 없다. 따라서, 회로는 실드를 갖는 코일 장치 곁에서 (수 센티미터 이격된) 직접적으로 조정된다. 회로는, 가장 단순한 경우에, 오직 하나의 임피던스를 구비하는데, 전압이 코일 장치에서의 전류에 기인하여 인가될 때, 이 전압은 탭(tapped) 될 수 있다. 측정 신호의 전압 레벨은 저항값에 의해 조정될 수 있다. 이 측정 신호는 큰 왜곡 없이 측정 신호 평가 유닛에 용이하게 유도될 수 있다.

회로는 평가 장치에 접속하기 위해서 적어도 하나의 측정 접속부를 바람직하게 구비한다. 회로는 유리하게는 측정 신호가 인가되는, 2개의 접속부를 구비하는데, 하나의 접속부는 접지 전위에 접속되어 있다. 그럼으로써, 전류 측정 정확성이 증가 될 수 있다. 접지 전위는 바람직하게는 낮은 동등 전류가 흐르는 곳에 위치하여서, 오직 작은 왜곡만 다른 접지 접속부에 기인할 수 있다.

높은 레벨로 방출되는 열을 생성할 수 있는 고손실이 코일 실드에서 등위 전류에 의해 발생될 수 있다. 이 방출된 열이 코일 장치를 손상시킬 수 있다. 따라서, 코일 실드가 냉각제에 의해 냉각되는 것, 특히, 물에 의해 냉각되는 것이 이롭다.

본 발명의 바람직한 실시예를 도면에 개략적으로 예시하였고, 이 도면을 참조하여 하기에 더 상세히 설명한다.

도 1은 전류 운반 도체(2)를 통해서 전류를 측정하기 위한 전류 측정 장치(1)를 예시한다. 전류 측정 장치(1)는 로고브스키(Rogowski) 코일의 형태로 코일 배열(3)을 구비한다. 코일 배열(3)은 복수의 권선(winding)을 갖는 코일 도체(4)를 포함한다. 코일 도체(4)는 도 1에 예시하지 않고 권선 내부에서 뒤로 유도되는 코일 캐리어의 단부까지 코일 캐리어를 따라 권선으로 확장된다. 코일 캐리어는 폐쇄 또는 비폐쇄(개방) 링으로서 구성될 수 있다.

코일 도체(4)는 실드(6) 안쪽에 배치된 회로(5)에 접속되어, 회로(5)의 일부분으로 고려될 수도 있다. 코일 도체(4)는 접속 포인트(7)에 의해 표시된 실드(6)에 접속된다.

실드(6)는 접지 접속부(9)를 갖고 따라서 회로(5)도 접지 접속부(9)를 갖는다. 회로(5)는, 저항의 형태인 실드(6)에 접속된 임피던스(10)를 포함하는데, 이 임피던스는 실드(6)에 접속되어 있고, 따라서 접속부(8)에 의해 접지 전위에 접속되어 있다.

코일 도체(4)는 2개의 접속부(23, 24)를 구비한다. 접속부(23)은 접속 포인트(7)에서 실드(6)와 접속된다. 그리고 접속부(24)는 임피던스(10)에 접속된다. 코일 도체(4)의 접속부(23)는 실드(6)로서 임피던스(10) 및 접속부(7,8)에 접속된다. 임피던스(10)는 결과적으로 접속부(23, 24) 양자에 접속된다.

코일 장치(3)는 접지 접속부(12)를 구비하는 코일 실드(11)를 구비한다. 접지 접속부(9, 12)는 서로 이격되어 있어서, 등위 전류가 거의 없거나 또는 작은 등위 전류만 접지 접속부(9 및 12) 사이에서 흐른다. 실드(6)는 코일 실드(11)에 직 접적인 접속부를 갖지 않는다. 접지 접속부(9, 12) 예를 들어 접지판을 경유하여 서로 이격되어 접속되는 접지 접속부로의 간접적인 접속부를 제공받는다.

하나의 전류 컨덕터 단부(13)는 임피던스(10)에 접속되며 추가하여 측정 접속부(14)에도 접속되고, 이 접속부(14)는 측정 케이블에 의해서 예시하지 않은 평가 장치와 접속될 수 있다. 측정 케이블의 제2 접속부는 실드(6)에 접속될 수 있고, 따라서 낮은 왜곡 레벨로 접지 전위에 접속된다. 이 접속부는 평가 장치에 대한 측정 접속부(14)의 측정 케이블에 대해서 실드로서 사용될 수 있다. 전류가 전류 운반 도체(2)에 흐르는 경우, 전압은 코일 도체(4)에 유도되고 이어서 그 방향으로 전류 흐름을 유도하여 전압을 임피던스 양단에 인가한다. 전압은 포인트(8, 14) 사이, 측정 접속부(14) 및 임의의 접지 전위에 관한 임의의 접속부 사이에서, 탭 될 수 있다. 전류 운반 도체(2)에서 전류 측정을 위한 측정이다.

도 2는 도 1의 라인 ∏-∏를 따라 절취된 단면도이다.

코일 장치(3)가 원형 방법으로 특히, 중공형 토로이드의 형태로서 구성되는, 외관상 개방형 코일 실드(11) 내에서 배열되는 것은 분명히 이해될 수 있다. 구성예에 있어서, 코일 실드(11)는 폐쇄 링 형상의 형태이고, 단면은 U자형이며, 이 U형은 바람직하게는 2개의 다리부(limb)와 웹(web)에 의해 형성되고, 이들이 연결되어서, 실질적으로는 직사각형 형상을 만든다. 그럼으로써, 구성은 간단해진다. 그러나, 코일 실드(11)는 홈이 있는 링(Slotted ring) 형상 일 수도 있다. 특히, 실드(11)는 전류 운반 도체(2)에서 큰 전압에 의해 생성되는 전기장에 관하여 코일 장치(3)를 용량성으로 차단한다. 코일 장치(3)의 리턴 컨덕터(20)는 캐리어(22) 상에 와인딩된 권선(21) 내에 중심적으로 가이드되는 것으로 분명히 이해될 수 있다.

구리 도관의 형태로 쿨링 바디(cooling body)(25)는 코일 실드(11) 상에 배열되고 코일 실드(11)를 냉각하기 위한 냉각액을 가이드한다. 쿨링 바디(cooling body)(25)는 적어도 일부, 코일 실드(11)에 관하여 열 교환을 위하여 적합한 접속부를 구비한다.

이상, 본 발명에 의하면, 강한 간섭장이 존재하더라도 고주파수 전류를 정밀도가 높은 방식으로 측정가능한 전류 측정 장치를 제공할 수 있다.

Claims (10)

1. 전류 운반(current-carrying) 도체(2) 내에서 비접촉 방식으로 전류를 측정하기 위한 전류 측정 장치(1)로서,

   코일 도체(4)와 이 코일 도체(4)에 연결되는 회로(5)를 구비한 코일 장치(coil arrangement, 3)를 포함하고, 상기 코일 장치(3)는 적어도 일부분이 코일 실드(11)에 의해 둘러싸여지며, 상기 코일 실드(11) 및 상기 회로(5)는 서로 독립적으로 접지 전위에 연결되는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 코일 실드(11) 및 상기 회로(5)는 각각 접지 접속부(9, 12)를 구비하고, 상기 접지 접속부(9, 12)는 서로 이격된 상태로 접지 전위에 연결되는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코일 실드(11) 및 상기 회로(5)는 공통 접지판 또는 상이한 접지판에 연결되는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회로(5)는 실드(6)를 포함하고, 상기 실드(6)는 상기 접지 전위에 연결되는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코일 장치(3)는 원형 방법으로 구성되는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코일 실드(11)는 원형 방법으로 구성되며, 단면이 직사각형이고 일부가 개방된 중공형 토로이드(hollow body toroid)의 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코일 장치(3)는 무페라이트(ferrite-free)로 구성되며, 로고브스키 코일(Rogowski coil)로 구성되는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회로(5)는 적어도 하나의 임피던스(10), 특히 저항을 구비하는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 회로(5)는 평가 장치에 연결하기 위해서 적어도 하나의 측정 접속부(14)를 구비하는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.
10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 코일 실드(11)는 냉각제로 냉각되는 것을 특징으로 하는 전류 측정 장치.

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