RU150987U1

RU150987U1 - SENSOR

Info

Publication number: RU150987U1
Application number: RU2014138048/28U
Authority: RU
Inventors: Владимир Яковлевич Белозеров; Юрий Николаевич Стародубцев; Марсель Нигаматович Атнагулов; Валерий Михайлович Филиппов; Андрей Яковлевич Лаповок
Priority date: 2014-09-22
Filing date: 2014-09-22
Publication date: 2015-03-10

Abstract

1. Датчик тока, содержащий первичный измерительный преобразователь в виде одного или нескольких замкнутых магнитопроводов с высокой магнитной проницаемостью и обмоток, нанесенных поверх магнитопроводов, отличающийся тем, что первичный измерительный преобразователь находится в защитном контейнере, заполненном гелеобразным компаундом, модуль упругости которого не превышает 0,5 МПа.2. Датчик тока по п. 1, отличающийся тем, что защитный контейнер изготовлен из магнитомягкого материала.1. A current sensor containing a primary measuring transducer in the form of one or more closed magnetic cores with high magnetic permeability and windings deposited on top of the magnetic cores, characterized in that the primary measuring transducer is located in a protective container filled with a gel-like compound whose elastic modulus does not exceed 0, 5 MPa. 2. The current sensor according to claim 1, characterized in that the protective container is made of soft magnetic material.

Description

Полезная модель относится к области электрических измерений, а именно к датчикам тока высокой точности, в которых в качестве первичного измерительного преобразователя используется магнитопровод из магнитомягкого материала.The utility model relates to the field of electrical measurements, namely to high accuracy current sensors, in which a magnetic core made of soft magnetic material is used as the primary measuring transducer.

Первичный измерительный преобразователь датчика тока представляет один или несколько магнитопроводов из магнитомягкого материала с обмотками. Принцип работы преобразователя может быть основан на трансформаторе тока, магнитном усилителе или магнитомодуляционном преобразователе [Розенблат М.А. Магнитные элементы автоматики и вычислительной техники // М: Наука, 1966. 720 с; Isolated current and voltage transducers // LEM Components, 2004. 48 p.]. В этом случае существенно, что магнитопровод датчика тока изготавливается из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью. В качестве такого материала можно использовать пермаллой, аморфные сплавы на основе кобальта или нанокристаллические сплавы на основе железа [Стародубцев Ю.Н. Магнитомягкие "материалы. Энциклопедический словарь-справочник // М.: Техносфера, 2011. 664 с]. При этом высокое значение может относиться как к области слабых магнитных полей (начальная магнитная проницаемость), так и к области коэрцитивной силы материала (максимальная магнитная проницаемость). Последний случай реализуется, если петля магнитного гистерезиса имеет прямоугольную форму. Все указанные магнитомягкие материалы имеют близкие к нулю значения констант магнитной анизотропии и магнитострикции, и способны в результате термической обработки в магнитном поле сформировать прямоугольную петлю магнитного гистерезиса.The primary measuring transducer of the current sensor represents one or more magnetic cores of soft magnetic material with windings. The principle of operation of the converter can be based on a current transformer, a magnetic amplifier or a magnetomodulating converter [M. Rosenblatt Magnetic elements of automation and computer technology // M: Nauka, 1966. 720 s; Isolated current and voltage transducers // LEM Components, 2004. 48 p.]. In this case, it is essential that the magnetic core of the current sensor is made of soft magnetic material with high magnetic permeability. As such material, permalloy, amorphous cobalt-based alloys, or nanocrystalline iron-based alloys can be used [Starodubtsev Yu.N. Soft magnetic materials. Encyclopedic reference book // M .: Tekhnosfera, 2011. 664 s]. Moreover, a high value can relate both to the region of weak magnetic fields (initial magnetic permeability) and to the region of coercive force of the material (maximum magnetic permeability ). The latter case is realized if the magnetic hysteresis loop has a rectangular shape.All of these soft magnetic materials have close to zero values of the magnetic anisotropy and magnetostriction constants, and are capable of thermal reversal as a result of Botko in a magnetic field to form a rectangular magnetic hysteresis loop.

Во всех случаях для получения высокой магнитной проницаемости необходимо, чтобы магнитопровод имел замкнутую форму. Если в магнитопроводе имеются поперечные воздушные зазоры, полученные, например, резкой, то они значительно снижают эффективную магнитную проницаемость магнитопровода. Поэтому датчики тока, использующие магнитопроводы с поперечным разрезом для размещения элементов Холла, не относятся к объектам данной полезной модели.In all cases, to obtain high magnetic permeability, it is necessary that the magnetic circuit has a closed shape. If there are transverse air gaps in the magnetic circuit, obtained, for example, by sharp cutting, then they significantly reduce the effective magnetic permeability of the magnetic circuit. Therefore, current sensors using cross-sectional magnetic cores for placing Hall elements do not belong to the objects of this utility model.

Известен датчик тока [European Patent 0651258 A2. DC current sensor. Int. C1. G01R 15/18. Date of publication 03.05.1995.], который в качестве первичного измерительного преобразователя использует замкнутый магнитопровод с высокой магнитной проницаемостью из пермаллоя (Ni - 78%, Mo - 5%, Cu - 4%, Fe - остальное), на который нанесены обмотки возбуждения и измерения. Известно, что магнитные материалы с высокой магнитной проницаемостью очень чувствительны к механическим воздействиям. В указанном датчике тока отсутствует защита первичного измерительного преобразователя от внешних воздействующих факторов, к которым кроме механических воздействий, можно отнести также повышенную влажность или агрессивную среду.Known current sensor [European Patent 0651258 A2. DC current sensor. Int. C1. G01R 15/18. Date of publication 03.05.1995.], Which uses a closed magnetic core with high magnetic permeability from permalloy (Ni - 78%, Mo - 5%, Cu - 4%, Fe - the rest) as the primary measuring transducer, on which the field windings are applied and measurements. It is known that magnetic materials with high magnetic permeability are very sensitive to mechanical stress. In the specified current sensor there is no protection of the primary measuring transducer from external influencing factors, which, in addition to mechanical influences, include also high humidity or an aggressive environment.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является датчик тока [United States Patent Application US 2013/0154629 A1. Toroidal fluxgate current transducer. Int. C1. G01R 33/00. Date of publication 20.06.2013.], в котором магнитопровод, изготовленный из аморфного сплава на основе кобальта с высокой магнитной проницаемостью, размешен в защитном контейнере. Этот контейнер защищает магнитопровод от прямого механического давления, однако может оказаться недостаточным для защиты от одиночных ударов, вибрационного воздействия или действия влажной и агрессивной среды.Closest to the proposed technical solution is a current sensor [United States Patent Application US 2013/0154629 A1. Toroidal fluxgate current transducer. Int. C1. G01R 33/00. Date of publication 06/20/2013.], In which a magnetic core made of an amorphous cobalt-based alloy with high magnetic permeability is placed in a protective container. This container protects the magnetic circuit from direct mechanical pressure, however, it may not be sufficient to protect it from single shocks, vibration, or exposure to a humid and aggressive environment.

Целью предлагаемого технического решения является создание такой конструкции датчика тока, использующего в качестве первичного измерительного преобразователя магнитопроводы с высокой магнитной проницаемостью и обмотки, нанесенные поверх магнитопроводов, которая обеспечит повышенный уровень защиты первичного измерительного преобразователя от внешних воздействий и позволит стабильно работать датчику тока в сложных климатических (влажная и агрессивная среды) и механических (одиночные удары, вибрационное воздействие) условиях.The aim of the proposed technical solution is to create such a current sensor design that uses magnetic cores with high magnetic permeability and windings deposited on top of the magnetic cores as the primary measuring transducer, which will provide an increased level of protection of the primary measuring transducer from external influences and will allow the current sensor to work stably in difficult climatic ( moist and aggressive environment) and mechanical (single impact, vibration exposure) conditions.

Поставленная цель достигается за счет размещения магнитопровода в защитном контейнере с высоким уровнем магнитной проницаемости заполненном компаундом для предотвращения смещения магнитопровода (первичного измерительного преобразователя) и его изолирования от окружающей среды.This goal is achieved by placing the magnetic circuit in a protective container with a high level of magnetic permeability filled with a compound to prevent the displacement of the magnetic circuit (primary transducer) and its isolation from the environment.

Результаты измерений начальной магнитной проницаемости магнитопроводов, изготовленных из нанокристаллического магнитомягкого сплава ГМ 414 (Fe_72,5Cu₁Nb₂Mo_1,5Si₁₄B₉) после заливки компаундами, имеющими различный модуль упругости, приведены в таблице ниже.The results of measurements of the initial magnetic permeability of magnetic cores made of the GM 414 nanocrystalline magnetically soft alloy (Fe _72.5 Cu ₁ Nb ₂ Mo _1.5 Si ₁₄ B ₉ ) after pouring with compounds having different elastic moduli are shown in the table below.

Из таблицы следует, что кремний органический компаунд СИЭЛ 59-356Б, который после вулканизации становится гелеобразным, практически не изменяет магнитные свойства магнитопровода. Магнитная проницаемость магнитопровода особенно значительно падает при использовании эпоксидного компаунда, который после полимеризации имеет наибольший модуль упругости.It follows from the table that the silicon organic compound SIEL 59-356B, which becomes gel-like after vulcanization, practically does not change the magnetic properties of the magnetic circuit. The magnetic permeability of the magnetic core is especially significantly reduced when using an epoxy compound, which after polymerization has the highest elastic modulus.

Таблица.Table. Начальная магнитная проницаемость нанокристаллического магнитомягкого сплава ГМ 414 после заливки различными компаундами.The initial magnetic permeability of the nanocrystalline magnetically soft alloy GM 414 after pouring with various compounds. Заливочный компаундCasting compound Модуль упругости компаунда, МПаThe elastic modulus of the compound, MPa Начальная относительная магнитная проницаемостьInitial relative magnetic permeability В исходном состоянииIn the initial state После заливки компаундомAfter compounding Кремнийорганическим компаундом СИЭЛ 59-356БOrganosilicon compound SIEL 59-356B 0,10.1 8000080,000 7700077000 Низкомолекулярный каучук СКТН-АLow molecular weight SKTN-A 1one 8500085000 4500045000 Эпоксидный компаунд на основе ЭД-20Epoxy compound based on ED-20 4four 8700087000 3500035,000

Предлагаемое техническое решение представляет датчик тока, содержащий первичный измерительный преобразователь в виде одного или нескольких замкнутых магнитопроводов с высокой магнитной проницаемостью и обмотки, нанесенные поверх магнитопроводов, отличающийся тем, что первичный измерительный преобразователь находится в защитном контейнере, заполненном гелеобразным компаундом, модуль упругости которого не превышает 0,5 МПа.The proposed technical solution is a current sensor containing a primary measuring transducer in the form of one or more closed magnetic circuits with high magnetic permeability and windings deposited on top of the magnetic cores, characterized in that the primary measuring transducer is located in a protective container filled with a gel-like compound, the elastic modulus of which does not exceed 0.5 MPa.

В качестве материала магнитопроводов может быть использован пермаллой или аморфные и нанокристаллические сплавы с высокой магнитной проницаемостью после термической обработки в продольном магнитном поле или без магнитного поля.Permalloy or amorphous and nanocrystalline alloys with high magnetic permeability after heat treatment in a longitudinal magnetic field or without a magnetic field can be used as the material of the magnetic cores.

Защитный контейнер может быть изготовлен из магнитомягкого материала с высокой магнитной проницаемостью, который одновременно выполняет функцию корпуса и магнитного экрана.The protective container can be made of soft magnetic material with high magnetic permeability, which simultaneously serves as a housing and a magnetic screen.

Сущность полезной модели поясняется рисунком с изображением примера ее реализации. На Фиг. 1 схематически изображено поперечное сечение датчика тока тороидальной формы с одним магнитопроводом 1 в защитном контейнере 2, заполненном гелеобразным компаундом 3 с низким модулем упругости (не превышает 0,5 Мпа). Обмотки, нанесенные поверх магнитопровода, не показаны.The essence of the utility model is illustrated in the figure with an example of its implementation. In FIG. 1 schematically shows a cross section of a toroidal current sensor with one magnetic circuit 1 in a protective container 2 filled with a gel-like compound 3 with a low modulus of elasticity (not exceeding 0.5 MPa). Windings applied over the magnetic circuit are not shown.

В качества примера реализации был изготовлен датчик тока, состоящий из магнитномодуляционного преобразователя и электронного блока с аналоговым выходом. Магнитомодуляционный преобразователь является первичным измерительным преобразователем и имеет форму неразъемного тороида с обмотками, через который проходит проводник с током, подлежащим измерению. Магнитопровод первичного измерительного преобразователя диаметром 685 мм, высотой 10 мм и толщиной стенки 1,5 мм изготовлен из аморфного сплава на основе кобальта Co₆₈Fe₄Cr₄Si₁₃B₁₁. После термической обработки в продольном поле магнитопровод приобретает прямоугольную петлю магнитного гистерезиса. Защитный контейнер изготовлен из магнитомягкого нанокристаллического сплава ГМ 414 Fe_72,5Cu₁Nb₂Mo_1,5Si₁₄B₉ с высокой магнитной проницаемостью. Для придания контейнеру прочности его пропитали кремнийорганическим компаундом КО-976. Магнитомодуляционный преобразователь размещается в защитном контейнере, который заполнен гелеобразным кремнийорганическим компаундом СИЭЛ 59-356Б. Погрешность измерения тока до и после заполнения компаундом защитного контейнера не изменилась и составила не более 0,5% в пределах измеряемого тока до 20 А.As an example of implementation, a current sensor was made consisting of a magnetic modulation transducer and an electronic unit with an analog output. The magnetomodulating transducer is a primary measuring transducer and has the form of an integral toroid with windings through which a conductor passes with the current to be measured. The magnetic core of the primary measuring transducer with a diameter of 685 mm, a height of 10 mm, and a wall thickness of 1.5 mm is made of an amorphous alloy based on cobalt Co ₆₈ Fe ₄ Cr ₄ Si ₁₃ B ₁₁ . After heat treatment in a longitudinal field, the magnetic circuit acquires a rectangular magnetic hysteresis loop. The protective container is made of a soft magnetic nanocrystalline alloy GM 414 Fe _72.5 Cu ₁ Nb ₂ Mo _1.5 Si ₁₄ B ₉ with high magnetic permeability. To give the container strength, it was impregnated with KO-976 organosilicon compound. The magnetomodulating transducer is placed in a protective container, which is filled with a gel-like silicon-organic compound SIEL 59-356B. The error in measuring the current before and after filling the protective container with the compound did not change and amounted to no more than 0.5% within the measured current up to 20 A.

Датчик тока выдержал испытания к синусоидальной вибрации со следующими предельными параметрами: амплитуда виброперемещений 1,3 мм на частотах 10-20 Гц, амплитуда виброперемещений 0,8 мм на частотах 20-25 Гц, амплитуда виброперемещений 0,6 мм на частотах 25-30 Гц, амплитуда виброускорения 35 м/с² (3,5 g) на частоте 30-80 Гц. Он также показал стойкость к ударам одиночного действия с ускорением 200 g в трех взаимно-перпендикулярных направлениях и прочность к повышенной влажности 98% при температуре 25°C.The current sensor passed the tests for sinusoidal vibration with the following limiting parameters: the amplitude of vibration displacements of 1.3 mm at frequencies of 10-20 Hz, the amplitude of vibration displacements of 0.8 mm at frequencies of 20-25 Hz, the amplitude of vibration displacements of 0.6 mm at frequencies of 25-30 Hz , the amplitude of vibration acceleration is 35 m / s ² (3.5 g) at a frequency of 30-80 Hz. He also showed resistance to single-action shocks with acceleration of 200 g in three mutually perpendicular directions and resistance to increased humidity of 98% at a temperature of 25 ° C.

Claims

1. A current sensor containing a primary measuring transducer in the form of one or more closed magnetic cores with high magnetic permeability and windings deposited on top of the magnetic cores, characterized in that the primary measuring transducer is located in a protective container filled with a gel-like compound whose elastic modulus does not exceed 0, 5 MPa.

2. The current sensor according to claim 1, characterized in that the protective container is made of soft magnetic material.