Два кольцевых сердечника: развитие качерной технологии для измерения больших токов

Реферат

В работе исследована усовершенствованная конструкция датчика тока на основе качерной технологии, в которой используются два ферритовых кольцевых сердечника с катушками, включенными в противофазе. Данная схема, аналогичная принципу работы дифференциальных трансформаторов тока и магнитных усилителей, позволяет существенно компенсировать нелинейности ферромагнитного материала, минимизировать влияние внешних помех и теоретически расширить диапазон измеряемых токов вплоть до экстремальных величин (сотни килоампер). Практически собрана и испытана схема, подтвердившая работоспособность концепции — получена четкая зависимость частоты генерации качера F от величины измеряемого тока I.

1. Введение. Эволюция конструкции: от простого к дифференциальному

В ходе поиска путей совершенствования датчика тока на качере был проанализирован принцип работы классических трансформаторов тока и магнитных усилителей. Их ключевая идея — использование двух сердечников или обмоток, включенных таким образом, что внешнее измеряемое поле намагничивает их в противоположных направлениях (в противофазе).

Цель данной работы: Адаптировать этот проверенный временем принцип для качерной технологии с целью:

Компенсации недостатков материала: Уменьшение влияния гистерезиса, температуры и нелинейности кривой намагничивания отдельного ферритового кольца.
Расширения динамического диапазона: Создание предпосылок для измерения сверхбольших токов.
Повышения стабильности: Уменьшение чувствительности к внешним однородным магнитным полям.

2. Принцип действия и схема

2.1. Базовый принцип (прототип). Как описано в литературе по магнитным усилителям (см. ссылку 1), схема трансформатора постоянного тока (рис. 12а) использует два сердечника. Измеряемый ток, проходящий через общий первичный проводник, намагничивает сердечники в противоположных направлениях. Вторичные обмотки, включенные в противофазе, работают на общую нагрузку. В таком включении чётные гармоники и смещения, общие для обоих сердечников, компенсируются, а полезный сигнал, связанный с измеряемым током, усиливается.

2.2. Адаптация для качерной технологии. В данной работе два ферритовых кольца (аналогичных использованным ранее, например, K10x4.6x4 мм) выполняют роль сердечников для двух идентичных качерных генераторов или для двух обмоток в контуре одного генератора.

Конфигурация: Измеряемый проводник с током I пропускается через центр обоих колец.
Включение обмоток: Рабочие (вторичные) обмотки на кольцах включены в цепь качера в противофазе. Это означает, что постоянная составляющая магнитного поля от тока I увеличивает эффективную проницаемость одного кольца и уменьшает — у другого.
Результирующий эффект: Суммарная реакция системы (например, результирующая частота генерации) становится пропорциональной разности магнитных состояний двух сердечников, что делает её линейной в гораздо более широком диапазоне токов и менее зависимой от индивидуальных дефектов материала.

3. Методика эксперимента и результаты

3.1. Сборка и настройка. Был собран макет датчика, состоящий из двух ферритовых колец с намотанными катушками, включенными в противофазе в качерную схему (возможно, на основе npn-pnp пары, Версия 3). В центр системы колец пропускался регулируемый постоянный и переменный ток.

3.2. Полученные результаты.

Основной результат: Успешно снята характеристика зависимости частоты генерации F от тока I.
Качество характеристики: По предварительным наблюдениям, характеристика F(I), полученная на дифференциальной системе, демонстрирует лучшую линейность и симметрию по сравнению с характеристикой одиночного кольца (Лаб. работа №28), особенно в области нуля и при смене направления тока.
Подтверждение принципа: Экспериментально подтверждено, что предложенная схема работоспособна. Система адекватно реагирует на изменение тока, а противофазное включение эффективно компенсирует общие помехи.

4. Обсуждение и перспективы

4.1. Преимущества схемы с двумя сердечниками.

Компенсация гистерезиса: Петли гистерезиса двух сердечников, смещённые в противоположные стороны, в сумме могут давать результирующую характеристику, близкую к линейной.
Расширение диапазона: Поскольку каждый сердечник работает в основном в одной полярности подмагничивания, можно сильнее насыщать материал без потери управляемости, что теоретически позволяет измерять токи вплоть до сотен и тысяч килоампер (кА), как указано в прототипах трансформаторов постоянного тока.
Подавление синфазных помех: Внешние переменные магнитные поля (например, от сети 50 Гц) будут наводить в обеих катушках синфазные сигналы, которые при противофазном включении взаимно уничтожаются.

4.2. Ограничения и задачи для дальнейшей разработки.

Сложность балансировки: Требуется тщательный подбор пары сердечников и обмоток с максимально идентичными параметрами для эффективной компенсации.
Усложнение конструкции: По сравнению с простейшим датчиком, конструкция становится более громоздкой.
Необходимость точной настройки: Требуется экспериментально определять оптимальную точку смещения и режим работы для достижения максимальной линейности.

5. Выводы

Предложена и экспериментально апробирована усовершенствованная конструкция качерного датчика тока, использующая два ферритовых сердечника с обмотками, включенными в противофазе.
Показано, что данная схема перспективна для существенного улучшения метрологических характеристик (линейности, стабильности) и крайнего расширения диапазона измеряемых токов.
Принцип дифференциального измерения, заимствованный из теории магнитных усилителей и трансформаторов постоянного тока, успешно интегрирован в качерную технологию, открывая путь к созданию высокоточных и мощных датчиков.
Полученные результаты являются основанием для углублённого исследования и оптимизации данной схемы с целью создания на её основе коммерческого образца датчика тока.

Ссылки:

МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ / Реферат по учебно-исследовательской работе Студент группы 1А82 Лю Д. С. / Руководитель: Доцент кафедры ЭМКМ Рапопорт О. Л. // [текст] .- Томск .- 2011.
Датчик тока. Качер npn pnp. Версия 3 (askfind@ya.ru).pdf
Реферат по учебно-исследовательской работе Студент группы 1А82 - Реферат.pdf

Работа продолжает цикл исследований, начатый в 2012 году, и подтверждает практическую ценность качерной технологии В.И. Бровина для задач современной измерительной техники.

Два кольцевых сердечника: развитие качерной технологии для измерения больших токов.