катушка Роговского

Прибор для измерения переменного тока

Катушка Роговского представляет собой тороид из проволоки, используемый для измерения переменного тока I ( t ) через кабель, окруженный тороидом. На рисунке изображена катушка Роговского, охватывающая токоведущий кабель. 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 импульсов переменного тока (AC) или высокоскоростных токов. Иногда он состоит из спиральной катушки с проводом, вывод которого с одного конца возвращается через центр катушки к другому концу, так что обе клеммы находятся на одном конце катушки. Этот подход иногда называют встречным ранением Роговского.

В других подходах используется полная тороидальная геометрия, преимуществом которой является то, что центральное возбуждение не возбуждает стоячие волны в катушке. Затем вся сборка оборачивается вокруг прямого проводника , ток которого необходимо измерить. Металлического (железного) сердечника нет. Плотность намотки, диаметр катушки и жесткость обмотки имеют решающее значение для сохранения невосприимчивости к внешним полям и малой чувствительности к расположению измеряемого проводника. ^{[1] [2] [3]}

Поскольку напряжение , индуцируемое в катушке, пропорционально скорости изменения ( производной ) тока в прямом проводнике, выход катушки Роговского обычно подключается к электрической (или электронной) схеме интегратора , чтобы обеспечить выходной сигнал, который пропорциональна току. Для этой цели часто используются однокристальные сигнальные процессоры со встроенными аналого-цифровыми преобразователями. ^[2] Его также можно сделать «самоинтегрирующимся» (например, без внешней цепи), подключив резистор с низкой индуктивностью параллельно выходу. ^[1] Этот подход также делает чувствительную схему более устойчивой к помехам.

Преимущества

Этот тип катушки имеет преимущества перед другими типами трансформаторов тока .

• Это не замкнутый контур, поскольку вторая клемма проходит обратно через центр тороидального сердечника (обычно пластиковую или резиновую трубку) и подключается вдоль первой клеммы. Это позволяет сделать катушку открытой и гибкой, позволяя наматывать ее вокруг проводника под напряжением, не нарушая его. Однако в этом случае важно расположение измеряемого проводника: было показано, что для гибких датчиков влияние положения на точность составляет от 1 до 3%. В другом методе используются две жесткие половины обмотки с точным фиксирующим механизмом. ^[3]
• Благодаря своей низкой индуктивности он может реагировать на быстро меняющиеся токи, вплоть до нескольких наносекунд. ^[4]
• Поскольку он не имеет железного сердечника для насыщения, он обладает высокой линейностью даже при воздействии больших токов, например, используемых при передаче электроэнергии , сварке или импульсных источниках энергии. ^[4] Эта линейность также позволяет калибровать сильноточную катушку Роговского, используя гораздо меньшие опорные токи. ^[2]
• Нет опасности открытия вторичной обмотки. ^[4]
• Меньшие затраты на строительство. ^[4]
• Температурная компенсация проста. ^[2]
• Для более высоких токов обычные трансформаторы тока требуют увеличения количества витков вторичной обмотки, чтобы поддерживать постоянный выходной ток. Следовательно, катушка Роговского для большого тока меньше, чем трансформатор тока эквивалентного номинала. ^[5]

Недостатки

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

• Выходной сигнал катушки должен быть пропущен через схему интегратора для получения формы сигнала тока. Схема интегратора 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 интеграторных схем. Интегратор имеет потери, поэтому катушка Роговского не имеет отклика на постоянный ток; этого не делает и обычный трансформатор тока (см. Катушки с эффектом Нееля для постоянного тока). Однако они могут измерять очень медленно меняющиеся токи с частотными составляющими до 1 Гц и менее. ^[3]
• Постоянный постоянный ток не может быть измерен. Катушка Роговского измеряет поле, генерируя напряжение при изменении поля. ^[7]

Приложения

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

Формулы

Пример формы сигнала RC-выхода для переключаемой нагрузки . Как объяснялось выше, выходной сигнал CH4 (зеленый) представляет собой производную текущего сигнала CH2 (синий); CH1 (желтый) — сигнал сети 230 В переменного тока.

Напряжение, создаваемое катушкой Роговского, равно

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

где

• ${\displaystyle A=\pi r^{2}}$- площадь одной из маленьких петель,
• ${\displaystyle N}$это количество витков,
• ${\displaystyle l=2\pi R}$- длина намотки (окружность кольца),
• ${\displaystyle {\frac {dI(t)}{dt}}}$- скорость изменения тока прохождения петли,
• ${\displaystyle \mu _{0}=4\pi \times 10^{-7}}$ V · s /( A · m ) — магнитная постоянная ,
• ${\displaystyle R}$- большой радиус тороида,
• ${\displaystyle r}$это его малый радиус.

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

Выходная мощность катушки Роговского пропорциональна производной тока провода. Выход часто интегрирован, поэтому выходной сигнал пропорционален току провода:

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

На практике прибор будет использовать интегратор с потерями с постоянной времени, намного меньшей, чем самая низкая интересующая частота. Интегратор с потерями уменьшит влияние напряжений смещения и установит константу интегрирования равной нулю.

На высоких частотах индуктивность катушки Роговского уменьшит ее выходную мощность.

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 Вальтером Роговским и В. Штайнхаусом в 1912 году. ^[10]

Совсем недавно были разработаны недорогие датчики тока, основанные на принципе катушки Роговского. ^[11] Эти датчики используют принцип катушки Роговского, измеряя скорость изменения тока с помощью трансформатора без магнитного сердечника. Отличие от традиционной катушки Роговского состоит в том, что датчик может быть изготовлен с использованием планарной катушки, а не тороидальной. Чтобы исключить влияние проводников за пределами области измерения датчика, в этих планарных датчиках тока Роговского используется концентрическая геометрия катушки вместо тороидальной, чтобы ограничить реакцию на внешние поля. Основное преимущество планарного датчика тока Роговского заключается в том, что точность намотки катушки, которая является требованием точности, может быть достигнута за счет недорогого изготовления печатной платы .

Смотрите также

• Балисор — устройство, получающее энергию от электрического поля, а не от магнитного поля.
• Текущий
• Трансформатор тока
• Указатель статей по электронике
• Импульсная мощность
• Тороидальные индукторы и трансформаторы
• Измерение тока

Рекомендации

1. Д.Г. Пеллинен, М.С. ДиЧипуа, С.Е. Сампаян, Х. Гербрахт и М. Ван, «Катушка Роговского для измерения быстрых импульсных токов высокого уровня», Rev.Sci.Instr. 51, 1535 (1980); http://dx.doi.org/10.1063/1.1136119.
2. Джон Г. Вебстер, Халит Эрен (редактор), Справочник по измерениям, приборам и датчикам, второе издание: электромагнитные, оптические, радиационные, химические и биомедицинские измерения , CRC Press, 2014, ISBN  1-439-84891-2 , стр. 16–6–16–7.
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 катушки Роговского и как они работают?». аимдинамика . 28 июля 2023 г. . Проверено 26 сентября 2023 г.
8. «Формулы и калькулятор тороидального индуктора» .
9. «О магнитном потенциометре», Философский журнал и научный журнал , том. XXIV, нет. 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 20 сентября 2009 г. в Wayback Machine . Использование катушек Роговского для измерения переходных токов. Архивировано 4 марта 2016 г. в Wayback Machine . Принцип работы Rocoil Ltd. Архивировано 4 марта 2016 г. в Wayback Machine.
• Проекты катушек Роговского. Архивировано 15 декабря 2018 г. в Wayback Machine , PAC World, осень 2007 г., приложения для релейной защиты.
• Миниатюрный широкополосный датчик тока, использующий этот принцип.
• PEM UK Теория преобразователя тока Роговского
• Обзор технологии измерения тока катушкой Роговского