RU109866U1 - ROGOVSKY COIL - Google Patents

Abstract

1. Катушка Роговского, выполненная в виде двух обмоток, отличающаяся тем, что первая обмотка намотана в одном направлении на первом неферромагнитном каркасе с фиксированным сечением и фиксированной плотностью намотки, а вторая обмотка намотана в противоположном направлении на втором неферромагнитном каркасе с фиксированным сечением и фиксированной плотностью намотки, причем напряжение, наведенное в катушке, измеряется на концах соединенных последовательно обмоток. ! 2. Катушка Роговского по п.1, отличающаяся тем, что первая и вторая обмотки выполнены в виде металлизированных проводников, сформированных на отдельных многослойных печатных платах, являющихся неферромагнитными каркасами и имеющими окна для пропускания токонесущего проводника. ! 3. Катушка Роговского по п.2, отличающаяся тем, что сечения первой и второй обмоток, сформированных радиальными металлизированными проводниками, имеют прямоугольную форму, причем наружные концы проводников, связаны между собой короткими соединительными участками. ! 4. Катушка Роговского по п.2, отличающаяся тем, что каждая из обмоток выполнена в виде нескольких концентрических последовательно соединенных секций, расположенных на различном радиальном расстоянии. ! 5. Катушка Роговского по п.2, отличающаяся тем, что первая и вторая печатные платы соединяются вместе, образуя единый неразборный узел. ! 6. Катушка Роговского по п.5, отличающаяся тем, что первая и вторая обмотки выполнены на четырехслойной печатной плате. 1. Rogowski coil, made in the form of two windings, characterized in that the first winding is wound in one direction on the first non-ferromagnetic frame with a fixed section and a fixed density of the winding, and the second winding is wound in the opposite direction on the second non-ferromagnetic frame with a fixed section and a fixed density winding, and the voltage induced in the coil is measured at the ends of the windings connected in series. ! 2. Rogowski coil according to claim 1, characterized in that the first and second windings are made in the form of metallized conductors formed on separate multilayer printed circuit boards, which are non-ferromagnetic frames and having windows for passing a current-carrying conductor. ! 3. The Rogowski coil according to claim 2, characterized in that the cross-sections of the first and second windings formed by radial metallized conductors are rectangular in shape, with the outer ends of the conductors being interconnected by short connecting sections. ! 4. Rogowski coil according to claim 2, characterized in that each of the windings is made in the form of several concentric series-connected sections located at different radial distances. ! 5. Rogowski coil according to claim 2, characterized in that the first and second printed circuit boards are connected together, forming a single, non-separable assembly. ! 6. Rogowski coil according to claim 5, characterized in that the first and second windings are made on a four-layer printed circuit board.

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY

Полезная модель относится к области электрических измерений, в частности, для измерения переменных токов, и может быть использована в электроэнергетике, в области учета электрической энергии, релейной защиты и автоматики.The utility model relates to the field of electrical measurements, in particular for measuring alternating currents, and can be used in the electric power industry, in the field of electric energy metering, relay protection and automation.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND

Катушки Роговского широко известны из-за их широкого динамического диапазона и высокой линейности. Поэтому, производители пытаются добиться высоких эксплуатационных характеристик катушки, чтобы она являлась одновременно простой и технологичной в производстве и в то же время, способной обеспечить высокоточное измерение тока. Данные устройства (катушки) должны быть нечувствительны к внешним воздействиям, невосприимчивы к изменению положения токонесущего проводника и должны сохранять высокую точность (порядка 0,2% или лучше) в широком диапазоне температур на протяжении всего срока службы.Rogowski coils are widely known because of their wide dynamic range and high linearity. Therefore, manufacturers are trying to achieve high operational characteristics of the coil so that it is both simple and technologically advanced in production and at the same time capable of providing high-precision current measurement. These devices (coils) must be insensitive to external influences, immune to changes in the position of the current-carrying conductor and must maintain high accuracy (of the order of 0.2% or better) over a wide temperature range throughout the entire service life.

Известен пояс Роговского (патент на полезную модель №72767, МПК G01R 19/00, приоритет от 12.11.2007), включающий неферромагнитный каркас и обмотку, содержащую витковые секции с плоскими спиральными катушками, расположенными равномерно по всей длине пояса Роговского и соединенными последовательно, причем витковые секции с плоскими спиральными катушками выполнены в виде печатных плат и расположены с внешней стороны неферромагнитного каркаса в пазах кросс-плат, установленных на неферромагнитном каркасе с его внешней стороны, при этом, по меньшей мере, на одной из кросс-плат, расположены проводники для последовательного соединения между собой спиральных катушек витковых секций.Known Rogowski belt (patent for utility model No. 72767, IPC G01R 19/00, priority 12.11.2007), comprising a non-ferromagnetic frame and a winding containing coil sections with flat spiral coils arranged uniformly along the entire length of the Rogowski belt and connected in series, and the coil sections with flat spiral coils are made in the form of printed circuit boards and are located on the outside of the non-ferromagnetic frame in the grooves of the cross-boards installed on the non-ferromagnetic frame on its external side, at least On one of the backplane, the conductors are arranged for sequentially interconnecting spiral coils interturn sections.

Недостатком такого устройства является значительное количество элементов, необходимых для сборки устройства и высокая сложность изготовления, обусловленная необходимостью электрического соединения большого числа плоских спиральных катушек методом пайки.The disadvantage of this device is the significant number of elements necessary for the assembly of the device and the high complexity of manufacturing, due to the need to electrically connect a large number of flat spiral coils by soldering.

Наиболее близким по технической сущности является бесконтактный измерительный преобразователь тока, (патент на изобретение №2168182, МПК G01R 19/00, G01R 19/04 приоритет от 16.05.2000), содержащий пояс Роговского с первой обмоткой и интегрирующий операционный усилитель, выход которого является выходом устройства, в котором первая обмотка пояса Роговского подсоединена между земляной шиной и неинвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого через первый резистор соединен с его же выходом, вторая обмотка пояса Роговского подключена к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого через второй резистор соединен с его же выходом, между инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей включен третий резистор, выход первого операционного усилителя через четвертый резистор подсоединен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, между инвертирующим входом и выходом которого включен пятый резистор, выход второго операционного усилителя через шестой и седьмой резисторы соединен с земляной шиной, причем общая точка шестого и седьмого резисторов подключена к неинвертирующему входу третьего операционного усилителя, выход которого соединен с входом интегрирующего операционного усилителя.The closest in technical essence is a non-contact measuring current transducer, (patent for invention No. 2168182, IPC G01R 19/00, G01R 19/04 priority from 05/16/2000), containing a Rogowski belt with a first winding and integrating an operational amplifier, the output of which is the output a device in which the first winding of the Rogowski belt is connected between the ground bus and the non-inverting input of the first operational amplifier, the inverting input of which is connected through its first resistor to its output, the second winding of the Rogowsko belt о is connected to the non-inverting input of the second operational amplifier, the inverting input of which is connected to its output through the second resistor, the third resistor is connected between the inverting inputs of the first and second operational amplifiers, the output of the first operational amplifier through the fourth resistor is connected to the inverting input of the third operational amplifier, between the inverting the input and output of which includes a fifth resistor, the output of the second operational amplifier through the sixth and seventh resistors is connected to earth bus, and the common point of the sixth and seventh resistors is connected to a non-inverting input of the third operational amplifier, the output of which is connected to the input of the integrating operational amplifier.

Недостатком такого устройства является высокая трудоемкость изготовления и большие погрешности при измерении тока, обусловленные нарушением симметрирования входной цепи из-за неидентичности намотки обмоток на каркасе пояса Роговского.The disadvantage of this device is the high complexity of manufacturing and large errors in the measurement of current due to a violation of the symmetry of the input circuit due to the non-identical winding of the windings on the frame of the Rogowski belt.

Задача, на решение которой направлено заявленная полезная модель заключается в повышении точности измерения катушкой Роговского переменных токов и повышении технологичности ее изготовления.The problem to which the claimed utility model is directed is to increase the accuracy of Rogowski coil measuring alternating currents and increase the manufacturability of its manufacture.

РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИDISCLOSURE OF A USEFUL MODEL

Поставленная задача решается благодаря тому, что в катушке Роговского, выполненной в виде двух обмоток, первая обмотка намотана в одном направлении на первом неферромагнитном каркасе с фиксированным сечением и фиксированной плотностью намотки, а вторая обмотка намотана в противоположном направлении на втором неферромагнитном каркасе с фиксированным сечением и фиксированной плотностью намотки, причем напряжение, наведенное в катушке, измеряется на концах, соединенных последовательно обмоток.The problem is solved due to the fact that in the Rogowski coil, made in the form of two windings, the first winding is wound in one direction on the first non-ferromagnetic frame with a fixed cross section and a fixed winding density, and the second winding is wound in the opposite direction on the second non-ferromagnetic frame with a fixed cross section and fixed density of the winding, and the voltage induced in the coil is measured at the ends connected in series windings.

В предлагаемой полезной модели использование двух обмоток с фиксированной плотностью намотки, электрически подключенных в противоположных направлениях, одна из которых является по существу «обратным проводником», позволяет удвоить величину выходного напряжения катушки и устранить воздействие внешних электрических полей и токов, протекающих в близлежащих проводниках.In the proposed utility model, the use of two windings with a fixed winding density, electrically connected in opposite directions, one of which is essentially a “return conductor”, doubles the output voltage of the coil and eliminates the effects of external electric fields and currents flowing in nearby conductors.

Выполнение первой и второй обмотки в виде металлизированных проводников, сформированных на отдельных многослойных печатных платах, расположенных параллельно рядом друг с другом, позволяет добиться более высокой точности, технологичности и повторяемости характеристик при изготовлении катушки.The implementation of the first and second windings in the form of metallized conductors formed on separate multilayer printed circuit boards located parallel to each other, allows to achieve higher accuracy, manufacturability and repeatability of characteristics in the manufacture of the coil.

Выполнение катушки Роговского, в которой сечения первой и второй обмоток, сформированных радиальными металлизированными проводниками, имеют прямоугольную форму, а наружные концы проводников, связаны между собой короткими соединительными участками, обеспечивает более плоские участки боковой поверхности витков и уменьшает погрешности, вызванные воздействием токов, протекающих по вблизи расположенным с катушкой проводникам.The implementation of the Rogowski coil, in which the cross sections of the first and second windings formed by radial metallized conductors are rectangular, and the outer ends of the conductors are interconnected by short connecting sections, provides flatter sections of the side surface of the turns and reduces errors caused by the action of currents flowing along close to the conductors located with the coil.

Выполнение катушки Роговского, в которой каждая из обмоток выполнена в виде нескольких концентрических последовательно соединенных секций, расположенных на различном радиальном расстоянии, повышает точность измерения переменного тока за счет уменьшения чувствительности катушки к внешним магнитным полям, обусловленной меньшим значением соотношения внешнего и внутреннего радиуса каждой из концентрических секций обмоток. Формирование концентрических секций позволяет увеличить плотность расположения витков на печатной плате и тем самым повысить чувствительность катушки.The implementation of the Rogowski coil, in which each of the windings is made in the form of several concentric series-connected sections located at different radial distances, increases the accuracy of AC measurement by reducing the sensitivity of the coil to external magnetic fields, due to the lower ratio of the external and internal radius of each of the concentric winding sections. The formation of concentric sections allows to increase the density of the arrangement of turns on the printed circuit board and thereby increase the sensitivity of the coil.

Образование единого монолитного узла катушки Роговского путем жесткого соединения друг с другом первой и второй печатной платы обеспечивает стабильность характеристик на протяжении всего срока службы.The formation of a single monolithic assembly of the Rogowski coil by rigidly connecting the first and second printed circuit boards to each other ensures stability of characteristics throughout the entire service life.

Выполнение первой и второй обмотки на четырехслойной печатной плате повышает технологичность изготовления катушки.The implementation of the first and second windings on a four-layer printed circuit board increases the manufacturability of the coil.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлено конструктивное исполнение катушки Роговского с двумя отдельными обмотками.The utility model is illustrated by drawings, where figure 1 shows the design of the Rogowski coil with two separate windings.

На фиг.2 изображена конструкция катушки Роговского с двумя отдельными обмотками, сформированными на печатной плате.Figure 2 shows the design of the Rogowski coil with two separate windings formed on a printed circuit board.

На фиг.3 показан сегмент печатной платы с прямолинейной конфигурацией проводников, где боковая поверхность витков неперпендикулярна диаметральной линии.Figure 3 shows a segment of a printed circuit board with a rectilinear configuration of conductors, where the side surface of the turns is not perpendicular to the diametrical line.

На фиг.4 показан сегмент печатной платы с радиальной направленностью проводников и прямоугольным сечением обмоток.Figure 4 shows a segment of a printed circuit board with a radial directional conductors and a rectangular section of the windings.

На фиг.5 показан сегмент печатной платы с радиальной направленностью проводников обмотки, выполненной в виде нескольких концентрических секций.Figure 5 shows a segment of a printed circuit board with a radial directional conductors of the winding, made in the form of several concentric sections.

На фиг.6 более детально показан участок соединения концентрических секций обмотки.Figure 6 shows in more detail the connection section of the concentric sections of the winding.

На фиг.7 изображен единый монолитный узел катушки Роговского, состоящий из жестко соединенных первой и второй печатных плат.Figure 7 shows a single monolithic node of the Rogowski coil, consisting of rigidly connected first and second printed circuit boards.

Конструктивное исполнение катушки Роговского, приведенное на фиг.1 включает соединенные последовательно обмотки 1 и 2, намотанные в противоположном направлении по отношению друг к другу. Через внутренне окно обмоток пропущен токонесущий проводник 3, по которому протекает переменный ток I(t), в результате чего вокруг проводника создается магнитное поле, наводящее на выводах катушки Роговского переменное напряжение U(t).The design of the Rogowski coil shown in FIG. 1 includes windings 1 and 2 connected in series, wound in the opposite direction with respect to each other. A current-carrying conductor 3 is passed through an internal winding window, through which alternating current I (t) flows, as a result of which a magnetic field is created around the conductor, which induces an alternating voltage U (t) at the terminals of the Rogowski coil.

На фиг.2 изображена катушка Роговского с обмотками, выполненными в виде расположенных рядом двух печатных плат 4 и 5. Каждая печатная плата представляет собой обмотку, выполненную в виде объемных витков, состоящих из металлизированных проводников и переходных отверстий. Чтобы точностные характеристики катушки Роговского сохранялись в широком диапазоне рабочих температур, материал подложки печатных плат должен иметь низкий коэффициент теплового расширения.Figure 2 shows the Rogowski coil with windings made in the form of two adjacent printed circuit boards 4 and 5. Each printed circuit board is a winding made in the form of volumetric turns consisting of metallized conductors and vias. To maintain the accuracy of the Rogowski coil over a wide range of operating temperatures, the substrate material of the printed circuit boards must have a low coefficient of thermal expansion.

Обмотки печатных плат 4 и 5 наматываются в противоположных направлениях (правосторонняя и левосторонняя). Верхние и нижние стороны печатной платы 4 сформированы таким образом, чтобы образовать обмотку с правосторонним направлением вращения в направлении по часовой стрелке вокруг центра платы. Левосторонняя обмотка формируется подобным образом, за исключением того, что обмотка 5 должна зеркально отражать конфигурацию витков обмотки 4, т.е. иметь противоположное направление вращения.The windings of printed circuit boards 4 and 5 are wound in opposite directions (right and left). The upper and lower sides of the printed circuit board 4 are formed so as to form a winding with a right-handed direction of rotation in a clockwise direction around the center of the board. The left-side winding is formed in a similar way, except that the winding 5 should mirror the configuration of the turns of the winding 4, i.e. have the opposite direction of rotation.

На фиг.3 представлен сегмент печатной платы 4 с правосторонней обмоткой, где линия 6 показывает трассу проводника обмотки на верхней стороне печатной платы, а линия 7 показывает трассу проводника обмотки на нижней стороне печатной платы. Проводники на двух поверхностях печатной платы соединены металлизированными переходными отверстиями 8 и образуют боковую поверхность витков неперпендикулярную диаметральной линии 13. Наведенное в обмотке напряжение снимается через две металлизированные контактные площадки 9 и 10. Такая конфигурация витков наиболее проста и при высокой плотности расположения витков на печатной плате боковая поверхность практически, становиться перпендикулярной диаметральной линии 13.Figure 3 shows a segment of a printed circuit board 4 with a right-side winding, where line 6 shows the path of the winding conductor on the upper side of the printed circuit board, and line 7 shows the path of the winding conductor on the lower side of the printed circuit board. The conductors on two surfaces of the printed circuit board are connected by metallized vias 8 and form the side surface of the turns non-perpendicular to the diametrical line 13. The voltage induced in the winding is removed through two metallized contact pads 9 and 10. This configuration of the turns is the simplest and with a high density of the arrangement of turns on the printed circuit board, the side surface practically become perpendicular to the diametrical line 13.

На фиг.4 представлен сегмент печатной платы, на котором трассы проводников обмотки прокладываются в радиальном направлении, а наружные концы проводников на верхней и нижней стороне печатной платы, связаны между собой короткими соединительными участками 11 и 12 соответственно. Такая конфигурация проводников формирует практически плоскую боковую поверхность витков прямоугольного сечения, перпендикулярную диаметральной линии 13, что уменьшает влияние внешних магнитных полей на точностные характеристики катушки.Figure 4 presents a segment of the printed circuit board, on which the paths of the conductors of the winding are laid in the radial direction, and the outer ends of the conductors on the upper and lower sides of the printed circuit board are interconnected by short connecting sections 11 and 12, respectively. This configuration of conductors forms an almost flat lateral surface of the coils of rectangular cross section perpendicular to the diametrical line 13, which reduces the influence of external magnetic fields on the accuracy characteristics of the coil.

Пример сегмента печатной платы с радиальной направленностью проводников обмотки, выполненной в виде нескольких концентрических секций 14, 15, 16 представлен на фиг.5. Количество и ширина концентрических витковых секций может быть различной, и определяются исходя из соотношения сложности изготовления, связанной с количеством необходимых переходных отверстий и требований к точности и чувствительности катушки.An example of a segment of a printed circuit board with a radial directional conductors of the winding, made in the form of several concentric sections 14, 15, 16 is presented in figure 5. The number and width of concentric coil sections can be different, and are determined based on the ratio of manufacturing complexity associated with the number of vias required and requirements for coil accuracy and sensitivity.

Выполнение катушки Роговского, в которой каждая из обмоток выполнена в виде нескольких концентрических последовательно соединенных секций, расположенных на различном радиальном расстоянии, повышает точность измерения переменного тока за счет уменьшения чувствительности катушки к внешним магнитным полям, обусловленной меньшим значением соотношения внешнего и внутреннего радиуса каждой из концентрических секций обмоток. Формирование концентрических секций позволяет увеличить плотность расположения витков на печатной плате и тем самым повысить чувствительность катушки. Сегмент 17 печатной платы, представленный на фиг.6 более детально показывает место соединения проводников концентрических секций с верхней и нижней стороны печатной платы.The implementation of the Rogowski coil, in which each of the windings is made in the form of several concentric series-connected sections located at different radial distances, increases the accuracy of AC measurement by reducing the sensitivity of the coil to external magnetic fields, due to the lower ratio of the external and internal radius of each of the concentric winding sections. The formation of concentric sections allows to increase the density of the arrangement of turns on the printed circuit board and thereby increase the sensitivity of the coil. The PCB segment 17 shown in FIG. 6 shows in more detail the junction of the conductors of the concentric sections on the upper and lower sides of the PCB.

Монолитный узел катушки Роговского, состоящий из жестко соединенных первой 1 и второй 2 печатных плат представлен на фиг.7. Печатные платы 1 и 2 могут быть соединены между собой механически или адгезивно, причем металлический стержень 17 должен обеспечить электрическое соединение обмоток катушки. Выходное напряжение катушки Роговского формируется на контактных площадках 18 и 19.A monolithic assembly of the Rogowski coil, consisting of rigidly connected first 1 and second 2 printed circuit boards is presented in Fig.7. Printed circuit boards 1 and 2 can be interconnected mechanically or adhesive, and the metal rod 17 should provide electrical connection of the coil windings. The output voltage of the Rogowski coil is formed on the contact pads 18 and 19.

Для снижения влияния внешних электрических полей катушка Роговского может быть помещена в один или несколько электростатических экранов, обеспечивающих отсутствие замкнутого контура.To reduce the influence of external electric fields, the Rogowski coil can be placed in one or more electrostatic screens, ensuring the absence of a closed loop.

Следует отметить, что для повышения чувствительности катушки Роговского, количество последовательно соединенных правосторонних и левосторонних печатных плат может быть увеличено.It should be noted that to increase the sensitivity of the Rogowski coil, the number of series-connected right-side and left-side printed circuit boards can be increased.

Claims (6)

1. Катушка Роговского, выполненная в виде двух обмоток, отличающаяся тем, что первая обмотка намотана в одном направлении на первом неферромагнитном каркасе с фиксированным сечением и фиксированной плотностью намотки, а вторая обмотка намотана в противоположном направлении на втором неферромагнитном каркасе с фиксированным сечением и фиксированной плотностью намотки, причем напряжение, наведенное в катушке, измеряется на концах соединенных последовательно обмоток.1. Rogowski coil, made in the form of two windings, characterized in that the first winding is wound in one direction on the first non-ferromagnetic frame with a fixed section and a fixed density of the winding, and the second winding is wound in the opposite direction on the second non-ferromagnetic frame with a fixed section and a fixed density winding, and the voltage induced in the coil is measured at the ends of the windings connected in series. 2. Катушка Роговского по п.1, отличающаяся тем, что первая и вторая обмотки выполнены в виде металлизированных проводников, сформированных на отдельных многослойных печатных платах, являющихся неферромагнитными каркасами и имеющими окна для пропускания токонесущего проводника.2. Rogowski coil according to claim 1, characterized in that the first and second windings are made in the form of metallized conductors formed on separate multilayer printed circuit boards, which are non-ferromagnetic frames and having windows for passing a current-carrying conductor. 3. Катушка Роговского по п.2, отличающаяся тем, что сечения первой и второй обмоток, сформированных радиальными металлизированными проводниками, имеют прямоугольную форму, причем наружные концы проводников, связаны между собой короткими соединительными участками.3. The Rogowski coil according to claim 2, characterized in that the cross-sections of the first and second windings formed by radial metallized conductors are rectangular in shape, with the outer ends of the conductors being interconnected by short connecting sections. 4. Катушка Роговского по п.2, отличающаяся тем, что каждая из обмоток выполнена в виде нескольких концентрических последовательно соединенных секций, расположенных на различном радиальном расстоянии.4. Rogowski coil according to claim 2, characterized in that each of the windings is made in the form of several concentric series-connected sections located at different radial distances. 5. Катушка Роговского по п.2, отличающаяся тем, что первая и вторая печатные платы соединяются вместе, образуя единый неразборный узел.5. Rogowski coil according to claim 2, characterized in that the first and second printed circuit boards are connected together, forming a single, non-separable assembly. 6. Катушка Роговского по п.5, отличающаяся тем, что первая и вторая обмотки выполнены на четырехслойной печатной плате.

6. Rogowski coil according to claim 5, characterized in that the first and second windings are made on a four-layer printed circuit board.