Датчики

Датчики

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к датчикам.

Датчики тока хорошо известны. Датчик тока может использоваться для измерения тока в проводнике, протекающий ток через который настолько велик, что прямое использование измерительных инструментов является нежелательным или невозможным.

Одним хорошо известным типом датчик тока является катушка Роговского. Эти катушки обычно содержат тороид из провода, намотанного на немагнитный сердечник, который окружает интересующий проводник. Правильно сформированная катушка Роговского с равномерно распределенными обмотками и правильной формой является совершенно нечувствительной к внешним магнитным полям, одновременно являясь чувствительной к магнитному полю, созданному окруженным проводником. Однако добиться, чтобы катушки Роговского были сформированы правильно, может быть очень трудно, особенно, если требуется, чтобы они были сконфигурированы таким образом, чтобы их можно было расположить вокруг интересующего проводника.

На основе принципа Роговского, но без тороидальных катушек, был предложен ряд датчиков. Патент США 5521572 описывает датчик, который включен в счётчик электроэнергии и содержит материал, чтобы задать два воздушных зазора, в которых расположены вторичные катушки. Патент США 6313727 описывает датчик, который может быть установлен на трехфазной системе и включает в себя "винтовые" чувствительные катушки с брусками с низкой коэрцитивной силой. Патент США 5617019 описывает датчик, который предназначен для установки на общую электрическую шину и не является адаптируемым. Большинство вариантов исполнения включают в себя экранирование для повышения подавления внешних полей. Все три патента раскрывают магнитные цепи с чувствительной катушкой в воздушном зазоре между двумя магнитомягкими компонентами.

Компания Sentec Limited выпустила несколько разных датчиков, основанных на принципе датчика Роговского, но с использованием катушек, напечатанных на печатных платах, что упрощает изготовление и повышает точность изготовленного продукта. Примеры включают в себя патент США 6414475 и заявку WO 2011/018530. Пример легко адаптируемого датчика, содержащего катушки, напечатанные на печатных платах, описан в заявке WO 2011/018533.

Конструкция датчика включает в себя множество соображений, включая легкость и стоимость изготовления, чувствительность к внешним полям, равномерность чувствительности в зоне чувствительности и физические размеры. Некоторые из датчиков с наилучшими характеристиками слишком велики, чтобы их можно было легко приспособить для определенных применений, примером которых является электрическая подстанция, в которой интересующие проводники совместно плотно расположены внутри шкафа или иного контейнера.

В этом контексте и было сделано настоящее изобретение.

В соответствии с первым объектом настоящего изобретения предложен датчик, содержащий:

- первый компонент, содержащий множество катушек, в котором каждая катушка содержит один или более витков, напечатанных на по меньшей мере одной плоской поверхности соответственной подложки, и плоскости катушек параллельны одна другой и перпендикулярны продольной оси первого компонента; и

- второй компонент, содержащий магнитомягкий материал и имеющий первую и вторую плоские поверхности, которые находятся на противоположных концах первого компонента и расположены перпендикулярно продольной оси первого компонента и пересекаются ею.

Второй компонент может содержать только магнитомягкий материал, или он может включать в себя другие компоненты. В некоторых вариантах исполнения второй компонент содержит один или более других компонентов, включая катушки. В этих вариантах исполнения компоненты, включающие в себя катушки, не содержат магнитного материала.

Интервал между соседними катушками может быть приблизительно одним и тем же для всех катушек первого компонента. Интервал может быть в точности одинаковым. Интервалы вместо этого могут и изменяться, но за счет ухудшения характеристик.

Каждая из катушек первого компонента включает в себя одно и то же число витков и имеет одну и ту же площадь подложки. Но они могут быть и разными, и это, на самом деле, может быть предпочтительным, если невозможно достичь одинакового интервала катушки.

Второй компонент может содержать U-образный магнитный компонент, а первая и вторая поверхности могут быть параллельными поверхностями в пределах горловины U. Здесь второй компонент может быть отделяемым от первого компонента, так чтобы позволить введение проводника в U, до того, как второй компонент помещен в пределах горловины U второго компонента. Альтернативно или в дополнение, интервал между соседними катушками может быть приблизительно одним и тем же для всех катушек первого компонента, а интервал между катушкой, ближайшей к первому концу, и первой контактной поверхностью может быть по существу равным интервалу между катушкой, ближайшей ко второму концу, и второй контактной поверхностью, и может быть равным или приблизительно равным половине интервала между соседними катушками.

Притом что обеспечивается оптимальное расположение, вместо этого может быть обеспечено неравномерное разнесение, и в этом случае последствия неравномерного разнесения могут быть смягчены изменением произведения площади на витки на соответствующих некоторых из подложек.

Датчик может содержать средство для принуждения второго компонента быть удерживаемым в пределах горловины U второго компонента.

Второй компонент может включать в себя также третий компонент, содержащий множество катушек, при этом каждая катушка третьего компонента содержит один или более витков, напечатанных на по меньшей мере одной плоской поверхности соответственной подложки, а катушки третьего компонента параллельны одна другой и лежат на продольной оси третьего компонента, и при этом второй компонент содержит третью и четвертую плоские поверхности, которые расположены перпендикулярно продольной оси третьего компонента и пересекаются ею.

Здесь второй компонент может содержать первый и второй I-образные компоненты, при этом первый I-образный компонент включает в себя первую и третью поверхности, а второй I-образный компонент включает в себя вторую и четвертую поверхности.

Интервал между соседними катушками может быть приблизительно одним и тем же для всех катушек первого и третьего компонентов, и при этом интервал между катушкой, ближайшей к первому концу первого компонента, и первой поверхностью такой же, как и интервал между катушкой, ближайшей ко второму концу первого компонента, и второй поверхностью, который такой же, как и интервал между катушкой, ближайшей к первому концу третьего компонента, и третьей поверхностью, и такой же, как и интервал между катушкой, ближайшей ко второму концу третьего компонента, и четвертой поверхностью, и составляет приблизительно половину интервала между соседними катушками.

Притом что обеспечивается оптимальное расположение, вместо этого может быть обеспечено неравномерное разнесение, и в этом случае последствия неравномерного разнесения могут быть смягчены изменением произведения площади на витки на соответствующих некоторых из подложек.

Второй компонент может содержать один или более дополнительных компонентов, каждый включающий в себя множество катушек, при этом каждая катушка каждого дополнительного компонента содержит один или более витков, напечатанных на по меньшей мере одной плоской поверхности соответственной подложки, и катушки каждого дополнительного компонента параллельны одна другой и лежат на продольной оси этого дополнительного компонента.

Соседние подложки могут быть механически отделены разделителями.

Концевая подложка на первом компоненте может быть отделена от первого компонента разделителем.

Датчик может содержать печатную плату, сконфигурированную для соединения катушек в электрическую цепь.

Датчик может содержать один или более экранирующих компонентов, сконфигурированных таким образом, чтобы по меньшей мере частично окружать первый компонент и, если присутствует, третий компонент.

Датчик может содержать токонесущий проводник, продолжающийся через центральный участок датчика.

Магнитомягким материалом может быть феррит.

Каждая катушка может содержать один или более витков, напечатанных на по меньшей мере двух параллельных поверхностях соответственной подложки.

Первый компонент может содержать первую и вторую катушки, напечатанные, соответственно, на первой и на второй параллельных поверхностях первой подложки. При этом второй компонент может включать в себя также третий компонент, содержащий третью и четвертую катушки, напечатанные, соответственно, на первой и на второй параллельных поверхностях второй подложки, при этом катушки третьего компонента параллельны одна другой и лежат на продольной оси третьего компонента, и при этом второй компонент содержит третью и четвертую плоские поверхности, которые расположены перпендикулярно продольной оси третьего компонента и пересекаются ею. Первая и вторая подложки могут быть одной и той же толщины, а интервал третьей катушки и четвертого компонента может быть такой же, что и интервал между первой катушкой и вторым компонентом.

Первый и третий компоненты могут быть сформированы из единой многослойной печатной платы, имеющей выполненный в ней паз или вырез, сконфигурированный для приема проводника.

Датчик может содержать изолирующий и/или защищающий от погодных воздействий кожух.

Теперь будут описаны варианты исполнения изобретения посредством примеров и со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг. 1 представляет собой вид в перспективе первого варианта исполнения датчика в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 2 представляют собой вид сбоку и с торца датчика первого исполнения;

фиг. 3 представляет собой вид в перспективе части обмотки катушки, образующей часть датчика первого варианта исполнения;

фиг. 4а и 4b представляют собой виды разных сторон печатной платы, образующей часть датчика первого варианта исполнения;

фиг. 5 представляет собой вид в перспективе датчика первого варианта исполнения с подсоединенной печатной платой и установленными экранирующими панелями;

фиг. 6 представляет собой вид в перспективе второго варианта исполнения датчика в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 7а и 7b представляют собой вид сбоку и с торца датчика второго варианта исполнения;

фиг. 8 представляет собой вид в перспективе датчика второго варианта исполнения в открытом положении;

фиг. 9 представляет собой вид сбоку датчика в соответствии третьим вариантом исполнения настоящего изобретения;

фиг. 10 представляет собой вид сбоку датчика в соответствии четвертым вариантом исполнения настоящего изобретения;

фиг. 11 представляет собой вид сбоку датчика в соответствии пятым вариантом исполнения настоящего изобретения;

фиг. 12а, 12b и 12с показывают двухстороннюю печатную плату, которая обеспечивает катушечный пакет, который используется в некоторых вариантах исполнения настоящего изобретения.

фиг. 13 представляет собой вид в перспективе датчика в соответствии с шестым вариантом исполнения; и

фиг.14а-14d представляют различные аспекты датчика в соответствии с седьмым вариантом исполнения настоящего изобретения.

Теперь со ссылками на фиг. с 1 по 5 будут описан датчик 10 в соответствии с первым вариантом исполнения настоящего изобретения.

Как лучше всего можно видеть на фиг. 1, датчик 10 включает в себя первый и второй компоненты 11, 12, каждый содержащий множество катушек, и третий и четвертый компоненты 13, 14, каждый содержащий магнитомягкий материал. Первый и второй компоненты 11, 12 далее по тексту будут назваться катушечными пакетами. Третий и четвертый компоненты 13, 14 далее по тексту будут назваться магнитомягкими брусками или просто магнитными брусками. Магнитные бруски образованы из материала с низкой коэрцитивной силой. Подходящим материалом является железо, хотя пригодны также и другие материалы. Этим материалом может быть феррит. Этим материалом может быть, например, никелевый сплав. Этим материалом может быть, например, ламинированная электротехническая сталь. Здесь слоистые материалы, предпочтительно, лежат в плоскости, перпендикулярной оси проводника, который является объектом измерения, например, в плоскости фиг. 2b.

Каждый из катушечных пакетов 11, 12 включает в себя некоторое количество печатных плат 15, каждая из которых имеет несколько напечатанных на ней катушек, а между печатными платами находится несколько разделителей 16.

Как лучше всего можно видеть на фиг. 2а и 2b, первый катушечный пакет 11 содержит с первой по шестую печатные платы 27-32 и с первого по шестой разделители 20-26. Первый разделитель 20 расположен на самом верхнем конце первого катушечного пакета 11, а его самая нижняя поверхность упирается в самую верхнюю поверхность первой печатной платы 27. Шестой разделитель 26 расположен на самом нижнем конце катушечного пакета 11, а его самая верхняя поверхность упирается в самую нижнюю поверхность печатной платы 32. Конечная или самая нижняя поверхность шестого разделителя 26 параллельна конечной или самой верхней поверхности 43 первого разделителя 20 и перпендикулярна продольной оси первого катушечного пакета 11.

В этом варианте исполнения печатные платы с 27 по 32 относительно тонкие, а разделители с 20 по 26 относительно толстые по сравнению с этими печатными платами. Каждая из печатных плат с 27 по 32 по форме по существу прямоугольная. Каждая - такого же размера, что и все другие печатные платы первого катушечного пакета 11. Каждый из разделителей с 20 по 26 также прямоугольный. Разделители с 20 по 26 все одинаковые, за исключением того, что первый и шестой разделители 20, 26 тоньше, чем разделители 21-25 со второго по пятый, как это более подробно описано далее. Размеры разделителей с 20 по 26, не считая толщины, приблизительно такие же, как и размеры печатных плат с 27 по 32. Кроме того, разделители с 20 по 26 и печатные платы с 27 по 32 соединены друг с другом, например, посредством склеивания. Соединение обеспечивается при условии, что разделители с 20 по 26 и печатные платы с 27 по 32 выставлены относительно друг друга, так что общая форма первого катушечного пакета 11 представляет собой прямоугольный параллелепипед. Поскольку каждый из разделителей 21-25 со второго по пятый имеет одну и ту же толщину, то интервал между соседними печатными платами 27-32 с первой по пятую один и тот же.

Ключевым назначением разделителей с 20 по 26 является удержание печатных плат с 27 по 32 на требуемом интервале, и как таковые, эти разделители в противном случае могут принимать какую-либо иную форму, не мешая датчику 10.

Фиг. 3 представляет собой альтернативный вид первого катушечного пакета 11. Здесь первый разделитель 20 на чертеже убран, позволяя увидеть самую верхнюю поверхность первой печатной платы 27.

Как лучше всего можно видеть на фиг. 3, каждая из печатных плат с 27 по 32 по трем своим краям имеет ряд выступов. В частности, на том краю, который смотрит наружу (на фиг. 2b - влево), приблизительно на расстоянии в одну четверть и три четверти вдоль края печатной платы имеются выступы 80 и 81. В соответствующих местах на противоположной стороне каждой из печатных плат с 27 по 32 имеются выступы 85, 86. На тех краях печатных плат с 27 по 32, сторона которых изображена на фиг. 2b, находятся три выступа, обозначенные поз. 82, 83 и 84. Выступ 83 образован приблизительно по центру вдоль края печатной платы, а выступы 82 и 84 расположены по каждой стороне. Между центральным выступом 83 и каждым из выступов 82 и 84 выполнены выемки.

Назначение выступов с 82 по 86 более подробно описано далее.

Вновь обращаясь к фиг. 1 и 2, можно видеть, что второй катушечный пакет 12 по форме идентичен первому катушечному пакету 11. Этот второй катушечный пакет 12 включает в себя с первой по шестую печатные платы 57-62 и с первый по седьмой разделители с 50 по 56, соответствующие печатным платам с 27 по 32 первого катушечного пакета 11 в разделителях с 20 по 26.

На самом нижнем конце второго катушечного пакета 12 есть поверхность 71, которая параллельна поверхности 73 на самом верхнем конце второго катушечного пакета 12. Обе поверхности перпендикулярны продольной оси второго катушечного пакета 12.

Первый и второй катушечные пакеты 11, 12 выставлены между собой таким образом, что самые верхние поверхности 43, 73, соответственно, первого и второго катушечных пакетов образованы в общей плоскости. Подобным же образом самые нижние поверхности 41, 71, соответственно, первого и второго катушечных пакетов 11, 12 также находятся в общей плоскости.

Каждый, и первый, и второй магнитный брусок 13, 14, обычно имеет форму прямоугольного параллелепипеда. Но каждый из магнитомягких брусков 13, 14 вдоль двух своих краев скошен.

На одной поверхности первого магнитного бруска 13, которая на фиг. 2 направлена вниз, имеется поверхность 42, которая упирается в поверхность 43 самого верхнего конца первого катушечного пакета 11. Она включает в себя также поверхность 72, которая упирается в поверхность 73 самого верхнего конца второго катушечного пакета 12.

Подобным же образом, второй магнитомягкий брусок 14 имеет на своей поверхности, которая на фиг. 2 "смотрит" вверх, поверхность 40, которая упирается в поверхность 41 самого нижнего конца первого катушечного пакета, и поверхность 70, которая упирается в самую нижнюю поверхность 71 второго катушечного пакета 12.

Форма в виде прямоугольного параллелепипеда каждого бруска 13, 14 имеет три измерения. Размер по высоте продолжается в том же самом направлении, что и продольные оси катушечных пакетов 11, 12. Концы размеров по длине магнитных брусков 13, 14 по существу выставлены с поперечным сечением катушечных пакетов 11, 12. Размер магнитных брусков 13, 14 по ширине обычно такой же, что и соответствующий размер катушечных пакетов 11, 12. Сами по себе магнитомягкие бруски 13, 14 и катушечные пакеты 11, 12 вместе образуют прямоугольное кольцо.

По концам брусков первого и второго магнитных брусков 13, 14 выполнены скосы, но по противоположной стороне в направлении поверхности этого бруска, которая касается первого и второго катушечных пакетов 11, 12. Это обеспечивает некоторое скругление формы прямоугольного кольца без уменьшения максимального тока до наступления насыщения магнитных брусков 13, 14.

Поскольку разделители с 20 по 26 первого катушечного пакета 11 одинаковой толщины, печатные платы с 27 по 32 находятся на общей прямой оси. Более того, поскольку разделители с 20 по 26 одинаковой толщины, то продольные оси и поверхности 42, 72 магнитных брусков 13, 14 выставлены под прямыми углами к продольной оси первого катушечного пакета 11 и параллельно плоскостям печатных плат с 27 по 32.

Тот же самое относится ко второму катушечному пакету 12 и второму магнитному бруску 14, что обусловлено установкой разделителей с 50 по 56 и результирующим расположением печатных плат с 57 по 62.

Первый магнитный брусок 13 предназначен для концентрации магнитного поля, присутствующего на самом верхнем конце первого катушечного пакета 11, и связывания его непосредственно с самой верхней поверхностью 73 второго катушечного пакета 12. Аналогичным же образом второй магнитный брусок 14 концентрирует магнитные поля между самым нижним концом 41 первого катушечного пакета 11 и самым нижним концом 71 второго катушечного пакета 12.

Поскольку поверхности 40, 42, 70, 72 первого и второго магнитомягких брусков 13, 14 перпендикулярны продольной оси первого и второго катушечных пакетов 11, 12, а концевые зазоры представляют собой половину промежуточных зазоров (или равны им в случае одной двусторонней платы), то можно считать, что датчик 10 эквивалентен бесконечному соленоиду. Далее это обсуждается более подробно.

Каждая печатная плата с 27 по 32 имеет выполненную на ней катушку, имеющую множество витков.

Фиг. 4 показывает поверхностную компоновку рисунков на печатных платах с 27 по 32 и с 57 по 62. На одной стороне их нанесен рисунок, показанный на фиг. 4a. Можно видеть, что между самым внутренним и самым внешним концами она содержит множество витков 87 катушки 88. С другой стороны показанных на фиг. 4 печатных плат с 27 по 32 и с 57 по 62 между самым внутренним и самым внешним концами продолжается множество витков 87 катушки 88. Хотя кажется, что направление катушки 88 по отношению к печатной плате на разных сторонах разное, поскольку фиг. 4а и 4b представляют собой разные виды, на самом деле эти витки нанесены в одном и том же направлении. Таким образом, витки на каждой стороне печатной платы работают совместно друг с другом.

Внутренние концы рисунка витков каждой стороны платы соединяет переходное отверстие сквозь печатные платы с 27 по 32 и с 57 по 62. Сама по себе катушка 88 образована между внешним концом на одной стороне печатных плат с 27 по 32 и с 57 по 62 и самым верхним концом другой стороны печатных плат. Число витков катушки 88 равно сумме числа витков на каждой стороне печатных плат с 27 по 32 и с 57 по 62.

В этом примере витки 87 обычно по форме прямоугольные. Это позволяет виткам 87 иметь большой диаметр по отношению к размеру печатных плат с 27 по 32.

Печатные платы с 27 по 32 и с 57 по 62 могут быть выполнены, например, из FR₄.

Катушки двух катушечных пакетов 11, 12 соединены в противоположных направлениях, то есть, по часовой стрелке в одном и против часовой стрелки в другом направлении при взгляде сверху. Как таковые, они соединены в одинаковом направлении цепи, содержащей катушки и магнитные бруски 13, 14.

Катушки на печатных платах с 27 по 32 и с 57 по 62 соединены между собой последовательно посредством электрической цепи, выполненной на дополнительной печатной плате 90, которая лучше всего видна на фиг. 5. Эта печатная плата 90 является тонкой гибкой платой.

На фиг. 5 показаны также экранирующие панели 91-94 - с первой по четвертую. Они содержат перфорированные металлические пластины. Каждая экранирующая панель с 91 по 94 содержит пазы, которые сконфигурированы для приема выступов 80, 81, 85 и 86, выполненных на печатных платах с 27 по 32 и с 57 по 62. Эти пазы на экранирующих панелях с 91 по 94 сцепляются с выступами 80, 81, 85 и 86, в результате чего экранирующие панели с 91 по 94 становятся скрепленными с катушечными пакетами 11, 12.

Каждая из экранирующих панелей с 91 по 94 целиком экранирует одну главную поверхность одного из катушечных пакетов 11, 12. Передние и задние поверхности катушечных пакетов 11, 12 в этом варианте исполнения не экранированы.

Эффект экранирующих панелей с 91 по 94 состоит в удалении электростатических взаимодействий как изнутри, так и снаружи чувствительного объема. Если для экранирующих панелей с 91 по 94 используется относительно толстый электропроводящий материал, например, 0,3-миллиметровый бериллий, медь или латунь, то предпочтительно не замыкать закороченный виток вокруг катушечных пакетов 11, 12, если требуется точная частотная характеристика (например, до 5 кГц и выше).

Причиной того, что датчик 10 является эквивалентным бесконечному соленоиду, отчасти является выбор толщины разделителя. В частности, толщина первого разделителя 20 первого катушечного пакета 11 и толщина первого разделителя 50 второго катушечного пакета 12 выбраны таким образом, чтобы сумма толщин была равна толщине разделителей 21-25 и 51-55 со второго по пятый первого и второго катушечных пакетов 11, 12. Наличие первого магнитного бруска 13, соединяющего концевую поверхность 43 первого разделителя 20 первого катушечного пакета 11 с поверхностью 73 первого разделителя 50 второго катушечного пакета 12, имеет тот эффект, что магнитно расстояние между первой печатной платой 27 первого катушечного пакета 11 и первой печатной платой 57 второго катушечного пакета 12 равно интервалу между соседними печатными платами в любом из первого и второго катушечных пакетов. Как таковой, второй катушечный пакет 12 магнитно представляется удлинением первого катушечного пакета 11.

Поскольку шестой разделитель 26 первого катушечного пакета 11 и шестой разделитель 26 второго катушечного пакета 12 имеют одну и ту же толщину, и толщина каждого равна половине толщины разделителей 21-25 и 51-55 со второго по пятый первого и второго катушечных пакетов 11, 12, и поскольку второй магнитный брусок 14 непосредственно соединяет концевую поверхность 41 шестого разделителя 26 первого катушечного пакета с концевой поверхностью 71 шестого разделителя 56 второго катушечного пакета 12, то такой же самый эффект проявляется на самых нижних концах первого и второго катушечных пакетов 11, 12. Как таковой, первый катушечный пакет 11 может рассматриваться как являющийся продолжением второго катушечного пакета 12 также и не другом конце. Это вносит свой вклад в эффект бесконечного соленоида.

В вышеописанных вариантах исполнения каждая из печатных плат с 27 по 32 и с 57 по 62 является по существу идентичной. Как таковые, каждая из печатных плат имеет одно и то же число витков катушки и один и тот же средний радиус витка. Кроме того, интервал между соседними печатными платами является одним и тем же для всех печатных плат, который такой же, как и эффективный интервал между печатными платами, которые отделены между собой одним из первого и второго магнитных брусков 13, 14. Эта в высокой степени симметричная конфигурация имеет ряд преимуществ. Одним из преимуществ является простота изготовления. В частности, требуется печатная плата только одной конструкции и только две конструкции разделителя. Другим преимуществом является чувствительность, в том смысле, что эта в высокой степени "правильная" конфигурация имеет равномерную чувствительность к магнитным полям, исходящим изнутри объема, определенного датчиком 10, при одновременном обеспечении хорошей невосприимчивости по отношению к приложенным внешним магнитным полям. Однако специалистами в данной области могут быть придуманы альтернативные варианты исполнения. Многие альтернативные варианты имеют почти такие же высокие характеристики, хотя могут быть более сложными и, таким образом, - более дорогими в производстве.

Разделители с 20 по 26 и с 50 по 56 выполнены из немагнитного материала. Например, разделители с 20 по 26 и с 50 по 56 выполнены из поликарбоната. Печатные платы с 27 по 32 и с 57 по 62 также выполнены из немагнитных материалов. Экранирующие панели с 91 по 96 также выполнены из немагнитных материалов. Сами по себе катушечные пакеты 11, 12 не имеют немагнитных материалов. Катушечные пакеты 11, 12 образуют воздушные зазоры между магнитомягкими брусками.

Теперь в иллюстративных целях будут приведены размеры компонентов прототипа датчика 10, построенного заявителями. В этом прототипе печатные платы имеют толщину 0,4 мм, ширину 10 мм и длину 25 мм. Толщина разделителей с первого по пятый составляет 3,95 мм, что дает интервал между центрами соседних печатных плат (принимая во внимание толщину платы) в 4,35 мм. Общая длина каждого катушечного пакета 11, 12, что определяет интервал между внутренними поверхностями магнитомягких брусков, равен 26 мм. Магнитомягкие бруски 13, 14 имеют размеры 27 мм по глубине на 60 мм по длине и 9 мм по высоте. Когда катушечные пакеты 11, 12 находятся на своем месте, интервал между их продольными осями составляет 48 мм. Каждая печатная плата с каждой стороны наделена 13 витками катушки. Полагая, что в каждом из катушечных пакетов 11, 12 есть шесть двусторонних печатных плат, каждый катушечный пакет имеет 156 витков, то есть, всего есть 312 витков. Средняя площадь каждого есть 1,2 кв. сантиметра (очевидно различные витки на данной стороне печатной платы имеют разные площади). Исходная относительная магнитная восприимчивость магнитомягких брусков равна приблизительно 2000. Феррит средней силы с насыщением при ~0,4 тесла наделяет датчик 10 способностью оперирования током, приближающимся к 1000 амперам.

Датчик работает как датчик типа датчика Роговского. Датчик 10 может быть использован для измерения токов, протекающих через проводник, который проходит внутри объема между первым и вторым катушечными пакетами 11, 12 и между первым и вторым магнитными брусками, который далее по тексту называется чувствительным объемом.

Чувствительность датчик внутри чувствительного объема определяется произведением площади на витки на метр длины катушечных пакетов 11, 12. Это общеприменимое положение, и оно применимо не только к датчику 10.

В вышеупомянутом прототипе датчика теоретическая чувствительность подсчитывалась следующим образом. Взаимная индукция между измеренным током и чувствительной катушкой вычисляется как 6 (количество печатных плат в катушечном пакете) ×26 (количество витков на печатной плате)×(0,00012 (средняя площадь витков)/0,026 (длина катушечного пакета))×(Uo (магнитная проницаемость в вакууме: 4π×10^-7 или ~1,25е^-6), равная 0,9 мкГн. Это дает 0,9 микровольтсекунд на ампер. Умножением этого на частоту сети получается чувствительность в вольтах на амперы. Для 50 Гц (частота питающей сети во многих странах) эта чувствительность составляет 0,28 мВ/А.

Однако реальная чувствительность уменьшена под действием двух небольших факторов, а именно, конечной магнитной проницаемости магнитомягких брусков и из-за конечного перекрытия этих магнитомягких брусков за пределами катушечных пакетов. Заявителями предполагалось, что чувствительность, обусловленная конечной магнитной проницаемостью магнитомягких брусков, уменьшается на величину от 0,1% до 1%, а уменьшение чувствительности из-за конечного перекрытия магнитомягких брусков за пределами катушечных пакетов (принимая во внимание зазоры, образованные разделителями на концах пакетов) составляет между 0,05% и 0,5%. Например, в датчике 10, в том виде, каким он описан, конечная магнитная проницаемость брусков уменьшает чувствительность на ~0,4%. Если магнитная проницаемость, сама по себе, удваивается (например, вследствие увеличения тока и/или увеличения температуры), то сигнал датчика увеличится на 0,2%.

Ограниченный выступ плоской поверхности магнитомягких брусков приводит к уменьшению сигнала на ~0,1%.

Уменьшение сигнала датчика, обусловленное магнитной проницаемостью, может быть изменено посредством использования для магнитомягких брусков 13, 14 материалов с другой магнитной проницаемостью и/или выбора другой толщины магнитомягких брусков. Например, уменьшение сигнала из-за магнитной проницаемости (~0,4%) может быть сокращено на коэффициент 5 до ~0,08% посредством увеличения магнитной проницаемости феррита до 10.000 (например, использованием материала Ferroxcube 3E6). Уменьшение сигнала может быть, далее, уменьшено вдвое до 0,04% увеличением вдвое толщины магнитомягких брусков 13, 14 до ~16 мм.

Уменьшение сигнала, обусловленное ограниченным выступом магнитомягких брусков 13, 14, при необходимости может быть достигнуто увеличением длины и/или ширины этих магнитных брусков. Уменьшение сигнала быть достигнуто на значительную величину увеличением длины и ширины этих магнитных брусков 13, 14, как описано выше, на несколько миллиметров, хотя за счет увеличенного общего размера.

Вообще говоря, датчик 10 нечувствителен к равномерному полю (поля, созданные на удалении от чувствительного объема, у датчика являются равномерными), при условии, что датчик 10 построен симметричным. Чувствительность к градиентному полю ограничена конечной магнитной проницаемостью магнитомягких брусков. Для данной магнитной проницаемости чем они короче и толще, тем лучше. Типичная чувствительность датчика 10 к внешнему проводнику, пропускающему ток, расположенному в непосредственной внешней близости от датчика, составляет около ~1/1500 по сравнению с проводником в чувствительном объеме. Чувствительность к таким созданным внешним полям может быть повышена приблизительно в десять раз обеспечением магнитных брусков с магнитной проницаемостью в 10,000 и увеличением толщины магнитных брусков до высоты примерно в 16 мм. Если в качестве магнитомягкого материала используется феррит, то увеличение магнитной проницаемости имеет тенденцию быть скомпенсировано низкими максимальными величинами магнитной индукции до насыщения; дополнительная толщина магнитных брусков 13, 14 обеспечивает дополнительную способность при сохранении высокой способности работы с токами.

Как упоминалось выше, чувствительность определяется произведением площади на витки на единицу длины. Сама по себе чувствительность может быть увеличена обеспечением катушек с более большими площадями, обеспечением большего числа витков на катушках, обеспечением большего количества слоев катушек на каждой печатной плате и/или уменьшением интервала между соседними печатными платами. Уменьшение интервала между соседними печатными платами требует использования меньших первых разделителей 20, 50, что может создать ограничения, когда датчик используется в открывающемся кожух, как это описано далее со ссылками на фиг. 2.

В вышеприведенном описании каждая печатная плата с 27 по 32 и с 57 по 62 описана как содержащая одну катушку с витками на обеих сторонах платы. Альтернативно, печатные платы с 27 по 32 и с 57 по 62 могут рассматриваться как содержащие две катушки, по одной на каждой стороне платы. В данном случае катушка имеет 13 витков, хотя, конечно, общее число витков в катушечных пакетах 11, 12 неизменно.

В этом случае расстояние между двумя катушками на плате равно толщине печатных плат с 27 по 32 и с 57 по 62. Кроме того, расстояние от одной катушки до следующей катушки в пакете равно толщине разделителя, который разделяет соседние печатные платы. В этом случае катушки в пакетах 11, 12 отстоят одна от другой неравномерно. Вместо этого интервал между катушками между толщиной разделителя и толщиной печатной платы изменяется вдоль длины печатной платы.

Чтобы датчик 10 можно было использовать для измерения протекающего в проводнике тока, этот проводник на фиг. 2b пропущен в направлении через плоскость бумаги или слева направо или на фиг. 2а наоборот. Следует заметить, что протекание тока через такой проводник приводит к тому, что линии магнитного поля образуют вокруг этого проводника концентрические окружности, и поэтому эти линии магнитного поля продолжаются вдоль оси каждой из первого и второго катушечных пакетов 11, 12. Магнитные бруски 13, 14 служат для концентрации магнитного поля таким образом, чтобы "сфокусировать" это поле в первом и во втором катушечных пакетах 11, 12. Следует понимать, что датчики типа датчиков Роговского обычно не содержат в себе магнитный материал.

Существует ряд различных возможностей для расположения датчика 10 вокруг проводника. В первом варианте датчик остается целым, а проводник вставляется в отверстие, образованное первым и вторым катушечными пакетами 11, 12 и первым и вторым магнитными брусками 13, 14. Но посредством этого способа датчик не может быть установлен на проводник по месту.

В виде втором варианте один из магнитных брусков 13, 14, например, первый магнитный брусок 13 отделяется от концов 43, 73 первого и второго катушечных пакетов 11, 12. После того, как первый магнитный брусок 13 будет снят, проводник может быть вставлен в центр U-образной формы, образованной первым и вторым катушечными пакетами 11, 12 и вторым магнитным бруском 14. После этого первый магнитный брусок 13 снова может быть соединен с поверхностями 43, 73 первого и второго катушечных пакетов 11, 12 и закреплен по месту. Результатом этого является то, что проводник заключен в форму основных компонентов с 11 по 14 датчика 10, то есть, он проходит через чувствительный объем.

Альтернативно, датчик 10 может быть выполнен в кожухе, который построен таким образом, чтобы датчик можно было приспособить к проводнику, который расположен на своем месте. Второй вариант исполнения датчика 10, который можно адаптировать особенно легко, показан на фиг. 6, 7 и 8, и который будет теперь описан. Датчик 10 включает в себя все компоненты датчика 10 первого исполнения, за исключением первых разделителей 20, 50. Можно считать, что вышеприведенное описание датчика первого исполнения присутствует и в этом описании датчика второго исполнения, но для краткости и ясности оно здесь опущено.

Датчик 10 в этом втором варианте исполнения содержит две основные части. Имеется U-образная часть 100 с крышкой 101. Как показано на фиг. с 1 по 5, в U-образной части может также присутствовать показанна