RU2298799C1

RU2298799C1 - Current probe

Info

Publication number: RU2298799C1
Application number: RU2005135684/28A
Authority: RU
Inventors: Юрий Анатольевич Пузанчиков (RU); Юрий Анатольевич Пузанчиков; Сергей Матвеевич Минаев (RU); Сергей Матвеевич Минаев; Анатолий Константинович Дворецкий (RU); Анатолий Константинович Дворецкий; Иль Александрович Переходов (RU); Илья Александрович Переходов
Original assignee: Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный Рязанский Приборный Завод"
Priority date: 2005-11-17
Filing date: 2005-11-17
Publication date: 2007-05-10

Abstract

FIELD: the invention refers to electrical measuring technique and designed for using in circuits of measuring devices of calculation of alternate current and of registration of electric power.

SUBSTANCE: the given result is achieved due to changing of configuration of the current bus and this allows distribute more evenly the power lines of the magnetic field. The proposed current probe has a current bus and two inductance coils installed on the circuit board and having two windings, the first of which is the measuring one, and the second winding coiled round the first one, serves as electrostatic screen. At that the current bus is fulfilled in the shape of a loop consisting of a closed and an open turns embracing correspondingly the first and the second inductance coils.

EFFECT: increases accuracy of measuring the current.

2 dwg

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования в цепях измерения переменного тока приборов учета и регистрации электроэнергии.The invention relates to electrical engineering and is intended for use in circuits for measuring alternating current metering and registration of electricity.

Известен датчик тока, содержащий катушку Роговского (журнал "Электронные компоненты" 2005 г., №5, статья "Использование катушки Роговского для токовых измерений", авторы М.Ковнерев, Ю.Троицкий), намотанную на стержне из очень гибкого материала, замкнутом вокруг токоведущего проводника. Магнитное поле токоведущего проводника наводит в катушке электродвижущую силу, пропорциональную производной тока di/dt, которая при помощи интегратора, собранного на операционном усилителе, преобразуется в напряжение, пропорциональное i(t), для дальнейшей обработки.A known current sensor containing a Rogowski coil (Journal of Electronic Components 2005, No. 5, article "Using the Rogowski coil for current measurements", authors M. Kovnerev, Y. Troitsky), wound on a rod of very flexible material, closed around current-carrying conductor. The magnetic field of the current-carrying conductor induces an electromotive force in the coil proportional to the derivative of the current di / dt, which, with the help of an integrator assembled on an operational amplifier, is converted to a voltage proportional to i (t) for further processing.

Недостатком катушки Роговского является чувствительность к влиянию внешних магнитных полей. Для устранения емкостной связи с внешними цепями и воздействия переменных магнитных полей катушку Роговского помещают в электростатический экран и используют обратный виток. Напряжение, наводимое на обратном витке, равно по величине и противоположно по направлению напряжению на основной обмотке. Все это делает ее довольно трудоемкой в изготовлении, а значит и дорогой.The disadvantage of the Rogowski coil is its sensitivity to the influence of external magnetic fields. To eliminate capacitive coupling with external circuits and the effect of variable magnetic fields, the Rogowski coil is placed in an electrostatic screen and a reverse turn is used. The voltage induced on the reverse turn is equal in magnitude and opposite in direction to the voltage on the main winding. All this makes it quite time-consuming to manufacture, and therefore expensive.

Известен датчик тока (Свидетельство на полезную модель №7207, опубликовано 16.07.1998 г., Н 01 F 27/00), используемый в электросчетчиках. Он содержит токовую шину в виде петли, охватывающей катушку индуктивности, установленную на панели, которые для защиты от воздействия внешних переменных магнитных полей помещены при помощи изоляционной обоймы в замкнутый прямоугольный экран. Катушка индуктивности состоит из двух обмоток, первая обмотка является измерительной, а вторая обмотка, намотанная поверх первой, служит электростатическим экраном.A known current sensor (Certificate for utility model No. 7207, published July 16, 1998, H 01 F 27/00) used in electric meters. It contains a current bus in the form of a loop enclosing an inductor mounted on a panel, which, in order to protect against the effects of external variable magnetic fields, is placed in an enclosed rectangular screen by means of an insulating sleeve. The inductor consists of two windings, the first winding is a measuring one, and the second winding wound over the first serves as an electrostatic screen.

Принцип работы датчика тока основан на эффекте Роговского. При протекании электрического тока через токовую шину вокруг нее создается магнитное поле, пронизывающее катушку индуктивности силовыми линиями вдоль оси. Электродвижущая сила, наводимая на катушке индуктивности, при подключении измерительной обмотки к входу операционного усилителя преобразуется на его выходе в напряжение, пропорциональное производной тока.The principle of operation of the current sensor is based on the Rogowski effect. When an electric current flows through the current bus, a magnetic field is created around it, penetrating the inductance coil by the force lines along the axis. The electromotive force induced on the inductor, when the measuring winding is connected to the input of the operational amplifier, is converted at its output into a voltage proportional to the derivative of the current.

К недостаткам датчика тока следует отнести высокие трудоемкость изготовления и себестоимость, так как он содержит большое количество деталей, а для изготовления замкнутого прямоугольного экрана используется дорогостоящий материал с высокой магнитной проницаемостью.The disadvantages of the current sensor include the high complexity of manufacturing and cost, since it contains a large number of parts, and for the manufacture of a closed rectangular screen uses expensive material with high magnetic permeability.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является датчик тока (Патент ЕР 1515146, опубликован 16.03.2005, G 01 R 15/18), содержащий токовую шину в виде петли, охватывающей первую катушку индуктивности. С внешней стороны петли на минимальном расстоянии от первой катушки индуктивности расположена вторая катушка индуктивности. Обе катушки индуктивности установлены на печатной плате и состоят из двух обмоток. Первые обмотки являются измерительными, а вторые обмотки, намотанные поверх первых, служат электростатическим экраном. При протекании электрического тока через токовую шину силовые линии магнитного поля пронизывают катушки индуктивности в противоположных направлениях. Такое построение датчика тока позволяет компенсировать влияние внешнего переменного магнитного поля, так как его силовые линии пронизывают катушки индуктивности в одном направлении. При подключении измерительных обмоток к входам операционного усилителя напряжения на его входах равны по величине, совпадают по направлению и компенсируются на выходе.Closest to the proposed invention is a current sensor (Patent EP 1515146, published March 16, 2005, G 01 R 15/18) containing a current bus in the form of a loop enclosing the first inductor. On the outside of the loop at a minimum distance from the first inductor is a second inductor. Both inductors are mounted on a printed circuit board and consist of two windings. The first windings are measuring, and the second windings wound on top of the first serve as an electrostatic screen. When an electric current flows through the current bus, the magnetic field lines penetrate the inductors in opposite directions. Such a construction of the current sensor makes it possible to compensate for the influence of an external alternating magnetic field, since its field lines penetrate the inductors in one direction. When the measuring windings are connected to the inputs of the operational amplifier, the voltages at its inputs are equal in magnitude, coincide in direction, and compensated at the output.

Недостатком этого датчика тока является неравномерность распределения силовых линий магнитного поля внутри токовой шины и с внешней стороны, что приводит к разности напряжения на катушках индуктивности и увеличению погрешности измерения тока.The disadvantage of this current sensor is the uneven distribution of the magnetic field lines inside the current bus and from the outside, which leads to a voltage difference across the inductors and an increase in the error of current measurement.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении точности измерения тока.The technical result of the claimed invention is to improve the accuracy of current measurement.

Технический результат достигается за счет изменения конфигурации токовой шины, что позволяет более равномерно распределить силовые линии магнитного поля. При использовании одних и тех же катушек индуктивности в предлагаемом датчике тока требуется меньшее усиление программируемого по усилению операционного усилителя, реализованного на микросхеме, и повышается стабильность показаний основной погрешности.The technical result is achieved by changing the configuration of the current bus, which allows you to more evenly distribute the lines of force of the magnetic field. When using the same inductors in the proposed current sensor, less amplification of the operational amplifier programmable for amplification, implemented on the microcircuit, is required, and the stability of the main error readings is increased.

Предлагаемый датчик тока содержит токовую шину, две катушки индуктивности, установленные на печатной плате и состоящие из двух обмоток, первая из которых является измерительной, а вторая обмотка, намотанная поверх первой, служит электростатическим экраном. Причем токовая шина выполнена в виде петли, состоящей из замкнутого и незамкнутого витков, охватывающих соответственно первую и вторую катушки индуктивности.The proposed current sensor contains a current bus, two inductors mounted on a printed circuit board and consisting of two windings, the first of which is measuring, and the second winding wound over the first serves as an electrostatic screen. Moreover, the current bus is made in the form of a loop, consisting of closed and open turns, covering respectively the first and second inductors.

На фиг.1 показана конструкция токовой шины, выполненной способом штамповки, гдеFigure 1 shows the design of the current bus made by the stamping method, where

1 - токовая шина;1 - current bus;

2 - замкнутый виток токовой шины;2 - closed loop current bus;

3 - незамкнутый виток токовой шины.3 - open loop current bus.

На фиг.2 приведена конструкция датчика тока, гдеFigure 2 shows the design of the current sensor, where

4 - первая катушка индуктивности;4 - the first inductor;

5 - вторая катушка индуктивности;5 - the second inductor;

6 - печатная плата.6 - printed circuit board.

Датчик тока включает в себя токовую шину 1, выполненную в виде петли, состоящей из замкнутого витка 2 и незамкнутого витка 3. Внутри замкнутого витка 2 токовой шины 1 размещена первая катушка индуктивности 4, а внутри незамкнутого витка 3 токовой шины 1 размещена вторая катушка индуктивности 5.The current sensor includes a current bus 1, made in the form of a loop, consisting of a closed coil 2 and an open coil 3. Inside the closed coil 2 of the current bus 1, the first inductor 4 is placed, and inside the open coil 3 of the current bus 1 there is a second inductor 5 .

Катушки индуктивности 4, 5 установлены на печатную плату 6. При этом каждая катушка индуктивности содержит две обмотки. Первая обмотка является измерительной, а вторая обмотка, намотанная поверх первой, служит электростатическим экраном. Начала первых обмоток первой катушки индуктивности 4 и второй катушки индуктивности 5 подключаются к входам операционного усилителя, реализованного на микросхеме, обеспечивающей обработку входного сигнала, пропорционального производной тока. Концы первых и вторых обмоток первой катушки индуктивности 4 и второй катушки индуктивности 5 подключены к общей шине прибора.Inductors 4, 5 are installed on the printed circuit board 6. Moreover, each inductor contains two windings. The first winding is a measuring one, and the second winding wound over the first serves as an electrostatic screen. The beginning of the first windings of the first inductor 4 and the second inductor 5 are connected to the inputs of the operational amplifier, implemented on a chip that provides processing of the input signal proportional to the derivative of the current. The ends of the first and second windings of the first inductor 4 and the second inductor 5 are connected to the common bus of the device.

Концы незамкнутого витка 3 токовой шины 1 могут подключаться к клеммной колодке прибора или использоваться как детали зажима клеммной колодки. Печатная плата 6 может быть как отдельной печатной платой для размещения датчика тока, так и частью общей печатной платы прибора.The ends of the open loop 3 of the current bus 1 can be connected to the terminal block of the device or used as parts of the terminal block clamp. The printed circuit board 6 can be either a separate printed circuit board to accommodate the current sensor, or part of the overall printed circuit board of the device.

Датчик тока работает следующим образом. При протекании электрического тока через токовую шину 1 вокруг нее создается магнитное поле, пронизывающее силовыми линиями вдоль оси первую катушку индуктивности 4 и вторую катушку индуктивности 5. При этом направление силовых линий внутри замкнутого витка 2 токовой шины 1 противоположно направлению силовых линий внутри незамкнутого витка 3 токовой шины 1. Следовательно, если силовые линии втекают в катушку индуктивности 5, то из катушки индуктивности 4 они будут вытекать, и, наоборот, при изменении направления электрического тока. Электродвижущая сила, наводимая в первой катушке индуктивности 4 и второй катушке индуктивности 5, преобразуется на входах операционного усилителя, реализованного на микросхеме, в напряжения, пропорциональные производной тока di/dt, равные по величине и противоположные по направлению, которые далее преобразуются в цифровой сигнал, пропорциональный i(t), пригодный для дальнейшей обработки.The current sensor operates as follows. When an electric current flows through the current bus 1, a magnetic field is created around it, piercing the first inductor 4 and the second inductor 5 with force lines along the axis. The direction of the power lines inside the closed coil 2 of the current bus 1 is opposite to the direction of the power lines inside the open coil 3 of the current tires 1. Therefore, if the power lines flow into the inductor 5, then they will leak from the inductor 4, and, conversely, when the direction of the electric current changes. The electromotive force induced in the first inductor 4 and the second inductor 5 is converted at the inputs of an operational amplifier implemented on a microcircuit into voltages proportional to the derivative of the current di / dt, equal in magnitude and opposite in direction, which are then converted into a digital signal, proportional to i (t), suitable for further processing.

Датчик тока благодаря высокой линейности в широком диапазоне измеряемых токов, малой потребляемой мощности, отсутствию магнитного сердечника, низкой температурной зависимости и себестоимости способен заменить широко используемые для этих целей в настоящее время традиционные измерительные трансформаторы тока и резистивные шунты.Due to its high linearity in a wide range of measured currents, low power consumption, the absence of a magnetic core, low temperature dependence and cost, the current sensor can replace traditional current measuring transformers and resistive shunts that are widely used for these purposes.

Одним из важных показателей, характеризующих приборы учета и регистрации электроэнергии, является влияние постоянной составляющей в цепи переменного тока. На этом основан один из способов хищения электроэнергии.One of the important indicators characterizing electricity metering and recording devices is the influence of a constant component in an alternating current circuit. One of the methods of theft of electricity is based on this.

В соответствии с требованиями ГОСТ РМЭК 62053-21 "Аппаратура для измерения электрической энергии переменного тока. Частные требования", п.8.2 "Пределы погрешности, вызываемой другими влияющими величинами" проводят тестирование приборов учета и регистрации электроэнергии.In accordance with the requirements of GOST REMEK 62053-21 "Equipment for measuring electric energy of alternating current. Particular requirements", clause 8.2 "Limits of error caused by other influential quantities" conduct testing of metering devices and registration of electricity.

В качестве одного из тестируемых приборов учета и регистрации электроэнергии был выбран счетчик электрической энергии типа СЭТ1-1-1, в состав которого входит датчик тока. В качестве одного из тестируемых датчиков тока был выбран измерительный трансформатор тока. Он наиболее близок к заявляемому техническому решению. Результаты испытаний показали зависимость датчика тока от величины измеряемого тока. Значение погрешности измерения тока, равного отношению максимального тока к квадратному корню из двух

составило минус 22%, что значительно превышает требования ГОСТ. Согласно требованиям ГОСТ РМЭК 62053-21 значение погрешности измерения тока должно составлять ±3%.As one of the tested electricity metering and recording devices, an electric energy meter of the СET1-1-1 type was chosen, which includes a current sensor. A measuring current transformer was chosen as one of the tested current sensors. It is closest to the claimed technical solution. The test results showed the dependence of the current sensor on the magnitude of the measured current. The value of the error of current measurement, equal to the ratio of the maximum current to the square root of two

amounted to minus 22%, which significantly exceeds the requirements of GOST. According to the requirements of GOST RMEC 62053-21, the value of the error of current measurement should be ± 3%.

При использовании в составе счетчика электрической энергии заявляемого датчика тока величина погрешности измерения тока составляет минус 0,15%, (что соответствует требованиям ГОСТ) и остается практически неизменной во всем диапазоне измеряемых токов.When using the inventive current sensor as part of the electric energy meter, the current measurement error is minus 0.15% (which meets the requirements of GOST) and remains almost unchanged in the entire range of measured currents.

Предлагаемый датчик тока позволяет обеспечить гальваническую развязку внутренних цепей прибора и токоведущего проводника и повысить стабильность показаний основной погрешности измерения тока.The proposed current sensor allows for galvanic isolation of the internal circuits of the device and the current-carrying conductor and to increase the stability of the readings of the main error of current measurement.

Claims

A current sensor containing a current bus, two inductors mounted on a printed circuit board and consisting of two windings, the first of which is a measurement, and the second winding wound over the first serves as an electrostatic screen, characterized in that the current bus is made in the form of a loop, consisting of closed and open turns, respectively, covering the first and second inductors.