Катушка Роговского

Прибор для измерения переменного тока

Катушка Роговского — это тороид из проволоки, используемый для измерения переменного тока I ( t ) через кабель, охваченный тороидом. На рисунке показана катушка Роговского, охватывающая кабель с током. Выход катушки, v ( t ) , подключен к схеме интегратора с потерями для получения напряжения V _out ( t ), пропорционального I ( t ) .

Катушка Роговского , названная в честь Вальтера Роговского , представляет собой электрическое устройство для измерения переменного тока (AC) или высокоскоростных импульсов тока. Иногда она состоит из спиральной катушки провода с выводом с одного конца, возвращающимся через центр катушки к другому концу, так что оба вывода находятся на одном конце катушки. Такой подход иногда называют встречной намоткой катушки Роговского.

Другие подходы используют полную тороидальную геометрию, которая имеет преимущество центрального возбуждения, не возбуждающего стоячие волны в катушке. Затем вся сборка оборачивается вокруг прямого проводника , ток которого должен быть измерен. Металлический (железный) сердечник отсутствует. Плотность намотки, диаметр катушки и жесткость обмотки имеют решающее значение для сохранения устойчивости к внешним полям и низкой чувствительности к расположению измеряемого проводника. ^{[1] [2] [3]}

Поскольку напряжение, которое индуцируется в катушке, пропорционально скорости изменения ( производной ) тока в прямом проводнике, выход катушки Роговского обычно подключается к электрической (или электронной) схеме интегратора для обеспечения выходного сигнала, пропорционального току. Для этой цели часто используются однокристальные сигнальные процессоры со встроенными аналого-цифровыми преобразователями. ^[2] Его также можно сделать «самоинтегрирующимся» (например, без внешней цепи), поместив резистор с низкой индуктивностью параллельно выходу. ^[1] Такой подход также делает схему считывания более помехоустойчивой.

Преимущества

Этот тип катушки имеет преимущества перед другими типами трансформаторов тока .

• Это не замкнутый контур, потому что второй вывод пропускается обратно через центр сердечника тороида (обычно пластиковая или резиновая трубка) и подключается вдоль первого вывода. Это позволяет катушке быть открытой и гибкой, что позволяет наматывать ее вокруг рабочего проводника, не нарушая его. Однако в этом случае важно позиционирование измеряемого проводника: было показано, что с гибкими датчиками влияние положения на точность составляет от 1 до 3%. Другая техника использует две жесткие половины обмотки с точным механизмом блокировки. ^[3]
• Благодаря своей низкой индуктивности он может реагировать на быстро меняющиеся токи, вплоть до нескольких наносекунд. ^[4]
• Поскольку в нем нет железного сердечника, подлежащего насыщению, он обладает высокой линейностью даже при воздействии больших токов, например, используемых при передаче электроэнергии , сварке или в импульсных силовых приложениях. ^[4] Эта линейность также позволяет калибровать сильноточную катушку Роговского с использованием гораздо меньших опорных токов. ^[2]
• Нет опасности размыкания вторичной обмотки. ^[4]
• Снижение затрат на строительство. ^[4]
• Температурная компенсация проста. ^[2]
• Для больших токов обычные трансформаторы тока требуют увеличения числа вторичных витков, чтобы поддерживать постоянный выходной ток. Поэтому катушка Роговского для больших токов меньше, чем эквивалентный номинальный трансформатор тока. ^[5]

Недостатки

Этот тип катушки также имеет некоторые недостатки по сравнению с другими типами трансформаторов тока .

• Выход катушки должен быть пропущен через интегрирующую схему для получения формы волны тока. Интегрирующая схема требует питания, обычно от 3 до 24 В постоянного тока, и многие коммерческие датчики получают его от батарей. ^[6]
• Традиционные трансформаторы тока с разъемным сердечником не требуют интегрирующих цепей. Интегратор имеет потери, поэтому катушка Роговского не имеет отклика вплоть до постоянного тока; также не имеет его и обычный трансформатор тока (см. катушки Нееля для постоянного тока). Однако они могут измерять очень медленно меняющиеся токи с частотными компонентами вплоть до 1 Гц и менее. ^[3]
• Постоянный постоянный ток не может быть измерен. Катушка Роговского измеряет поле, генерируя напряжение по мере изменения поля. ^[7]

Приложения

Катушки Роговского используются для контроля тока в системах точной сварки, дуговых плавильных печах или электромагнитных пусковых установках. Они также используются при испытаниях на короткое замыкание электрогенераторов и в качестве датчиков в системах защиты электроустановок. Другая область применения — измерение содержания гармонических токов из-за их высокой линейности. ^[6] Также для исследования молний.

Формулы

Пример формы сигнала RC-выхода для нагрузки с коммутируемым режимом . Как объяснялось выше, выходная форма сигнала CH4 (зеленый) представляет собой производную формы сигнала тока CH2 (синий); CH1 (желтый) — это форма сигнала сети переменного тока 230 В

Напряжение, создаваемое поясом Роговского, равно

${\displaystyle v(t)={\frac {-AN\mu _{0}}{l}}{\frac {dI(t)}{dt}},}$

где

• ${\displaystyle A=\pi r^{2}}$это площадь одной из малых петель,
• ${\displaystyle N}$это число витков,
• ${\displaystyle l=2\pi R}$длина обмотки (окружность кольца),
• ${\displaystyle {\frac {dI(t)}{dt}}}$скорость изменения тока, протекающего по петле,
• ${\displaystyle \mu _{0}=4\pi \times 10^{-7}}$ В · с /( А · м ) — магнитная постоянная ,
• ${\displaystyle R}$— большой радиус тороида,
• ${\displaystyle r}$— его малый радиус.

Эта формула предполагает, что витки расположены равномерно и что эти витки малы по сравнению с радиусом самой катушки.

Выход катушки Роговского пропорционален производной тока в проводе. Выход часто интегрируется, поэтому выход пропорционален току в проводе:

${\displaystyle V_{\text{out}}=\int v\,dt={\frac {-AN\mu _{0}}{l}}I(t)+C_{\text{integration}}.}$

На практике прибор будет использовать интегратор с потерями с постоянной времени, намного меньшей, чем самая низкая интересующая частота. Интегратор с потерями уменьшит влияние смещенных напряжений и установит постоянную интегрирования на ноль.

На высоких частотах индуктивность пояса Роговского приведет к снижению его выходной мощности.

Индуктивность тороида равна ^[8]

${\displaystyle L=\mu _{0}N^{2}\left(R-{\sqrt {R^{2}-r^{2}}}\right).}$

Похожие устройства

Устройство, похожее на катушку Роговского, было описано Артуром Принсом Чаттоком из Бристольского университета в 1887 году. ^[9] Чатток использовал его для измерения магнитных полей , а не токов. Окончательное описание было дано Уолтером Роговским и В. Штейнхаусом в 1912 году. ^[10]

Совсем недавно были разработаны недорогие датчики тока, основанные на принципе пояса Роговского. ^[11] Эти датчики разделяют принципы пояса Роговского, измеряя скорость изменения тока с помощью трансформатора без магнитного сердечника. Отличие от традиционной катушки Роговского заключается в том, что датчик может быть изготовлен с использованием плоской катушки, а не тороидальной катушки. Чтобы исключить влияние проводников за пределами области измерения датчика, эти планарные датчики тока Роговского используют концентрическую геометрию катушки вместо тороидальной геометрии для ограничения реакции на внешние поля. Главное преимущество планарного датчика тока Роговского заключается в том, что точность намотки катушки, которая является требованием для точности, может быть достигнута с использованием недорогого производства печатных плат .

Смотрите также

• Бализор , устройство, которое получает энергию из электрического поля, а не из магнитного поля.
• Текущий
• Трансформатор тока
• Индекс статей по электронике
• Импульсная мощность
• Тороидальные индукторы и трансформаторы
• Текущее зондирование

Ссылки

1. DG Pellinen, MS DiCipua, SE Sampayan, H. Gerbracht и M. Wang, "Катушка Роговского для измерения быстрых, высокоуровневых импульсных токов", Rev.Sci.Instr. 51, 1535 (1980); http://dx.doi.org/10.1063/1.1136119.
2. Джон Г. Вебстер, Халит Эрен (ред.), Справочник по измерениям, приборам и датчикам, второе издание: Электромагнитные, оптические, радиационные, химические и биомедицинские измерения , CRC Press, 2014, ISBN  1-439-84891-2 , стр. 16-6 по 16-7.
3. Клаус Шон, Методы измерения высокого импульсного напряжения и тока: основы – Измерительные приборы – Методы измерения , Springer Science & Business Media, 2013, ISBN 3-319-00378-X , стр. 193. 
4. Славомир Туманский, Справочник по магнитным измерениям , CRC Press, 2011, ISBN 1-439-82952-7 , стр. 175. 
5. Стивен А. Дайер, Обзор приборов и измерений Wiley , John Wiley & Sons, 2004, ISBN 0-471-22165-1 , стр. 265. 
6. Кшиштоф Иневски, Интеллектуальные датчики для промышленного применения , CRC Press, 2013, ISBN 1-466-56810-0 , стр. 346. 
7. «Что такое пояса Роговского и как они работают?». aimdynamics . 28 июля 2023 г. Получено 26 сентября 2023 г.
8. «Формулы и калькулятор тороидального индуктора».
9. "О магнитном потенциометре", Philosophical Magazine and Journal of Science , т. XXIV, № 5-я серия, стр. 94–96, июль-декабрь 1887 г.
10. Вальтер Роговский и В. Штайнхаус в «Die Messung der Magneticischen Spannung», Archiv für Elektrotechnik , 1912, 1, Pt.4, стр. 141–150.
11. Патент на планарный датчик тока Роговского, патент США 6,414,475 , выдан 2 июля 2002 г.

Внешние ссылки

• Катушки Роговского Архивировано 2009-09-20 в Wayback Machine , Использование катушек Роговского для измерений переходного тока Архивировано 04.03.2016 в Wayback Machine , Принцип работы Rocoil Ltd Архивировано 04.03.2016 в Wayback Machine
• Конструкции катушек Роговского Архивировано 15 декабря 2018 г. на Wayback Machine , PAC World, осень 2007 г., приложения релейной защиты
• Миниатюрный широкополосный датчик тока, работающий по этому принципу
• PEM UK Теория преобразователя тока Роговского
• Обзор технологии измерения тока с помощью пояса Роговского