Пояс Роговского - Rogowski coil

Катушка Роговского - это тороид провода, используемого для измерения переменного тока я(т) через кабель, окруженный тороидом. На картинке изображена катушка Роговского, опоясывающая токоведущий кабель. Выход катушки, v(т), подключен к схеме интегратора с потерями для получения напряжения V_из(т) что пропорционально я(т).

А Пояс Роговского, названный в честь Вальтер Роговски, это электрическое устройство для измерение переменный ток (AC) или высокоскоростные импульсы тока. Иногда он состоит из спиральный катушка с проводом с выводом от одного конца, возвращающимся через центр катушки к другому концу, так что оба вывода находятся на одном конце катушки. Этот подход иногда называют встречное ранение Роговский. Другие подходы используют геометрию полного тороида, которая имеет то преимущество, что центральное возбуждение не возбуждает стоячие волны в катушке. Затем вся сборка оборачивается вокруг прямого дирижер ток которого необходимо измерить. Металлического (железного) сердечника нет. 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 индуцируемое в катушке, пропорционально скорости изменения (производная ) тока в прямолинейном проводнике, выход пояса Роговского обычно подключается к электрическому (или электронному) интегратор цепь 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), разместив резистор с низкой индуктивностью параллельно выходу.^[1] Такой подход также делает чувствительную схему более помехоустойчивой.

Преимущества

Этот тип катушки имеет преимущества перед другими типами катушек. трансформаторы тока.

• Это не замкнутый контур, потому что второй вывод проходит обратно через центр сердечника тороида (обычно пластиковую или резиновую трубку) и соединяется вдоль первого вывода. Это позволяет катушке быть разомкнутой и гибкой, что позволяет оборачивать ее вокруг токоведущего проводника, 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 намотанные половинки с точным механизмом блокировки.^[3]
• Из-за низкого индуктивность, он может реагировать на быстро меняющиеся токи, вплоть до нескольких наносекунд.^[4]
• Поскольку у него нет железного сердечника для насыщения, он очень линейен даже при воздействии больших токов, таких как те, которые используются в передача электроэнергии, сварка, или же импульсная мощность Приложения.^[4] Эта линейность также позволяет калибровать сильноточную поясницу Роговского с использованием гораздо меньших эталонных токов.^[2]
• Нет опасности разрыва вторичной обмотки.^[4]
• Снижение затрат на строительство.^[4]
• Температурная компенсация проста.^[2]
• Для больших 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 катушек. трансформаторы тока.

• Выход катушки необходимо пропустить через схему интегратора, чтобы получить форму волны 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 схем интегратора. Интегратор работает с потерями, поэтому катушка Роговского не реагирует на постоянный ток; и обычный трансформатор тока (см. Эффект Нееля катушки для постоянного тока). Однако они могут измерять очень медленно изменяющиеся токи с частотными составляющими до 1 Гц и менее.^[3]

Приложения

Катушки Роговского используются для контроля тока в системах прецизионной сварки, дуговых плавильных печах или электромагнитных пусковых установках. Они также используются при испытаниях электрических генераторов на короткое замыкание и в качестве датчиков в системах защиты электрических установок. Еще одна область применения - это измерение содержания гармоник тока из-за их высокой линейности.^[6]

Формулы

Пример формы сигнала RC-выхода для коммутируемая нагрузка. Как объяснялось выше, форма выходного сигнала CH4 (зеленый) представляет производная формы сигнала тока CH2 (синий); CH1 (желтый) - форма сигнала сети 230 В переменного тока

Напряжение, создаваемое поясом Роговского, равно

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

куда

• ${ Displaystyle А = пи г ^ {2}}$ 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 текущего потока в цикле,
• ${ displaystyle mu _ {0} = 4 pi times 10 ^ {- 7}}$ V ·s /(А ·м ) это 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.

Выходной сигнал пояса 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 в приборе будет использоваться интегратор с потерями с постоянной времени, намного меньшей, чем наименьшая интересующая частота. Интегратор с потерями уменьшит влияние напряжений смещения и установит постоянную интегрирования на ноль.

На высоких частотах пояс Роговского индуктивность уменьшит его выход.

Индуктивность тороида равна^[7]

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

Похожие устройства

Устройство, подобное поясу Роговского, было описано Артур Принц Чатток из Бристольский университет в 1887 г.^[8] Чатток использовал это для измерения магнитные поля а не токи. Окончательное описание было дано Вальтером Роговски и В. Штайнхаусом в 1912 году.^[9]

Совсем недавно были разработаны недорогие датчики тока, основанные на принципе пояса Роговского.^[10] Эти датчики используют принципы пояса Роговского, измеряя скорость изменения тока с помощью трансформатора без магнитного сердечника. Отличие от традиционной пояса Роговского состоит 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, чтобы ограничить реакцию на внешние поля. Основное преимущество планарного датчика тока Роговского заключается в том, что точность намотки катушки, которая является требованием к точности, может быть достигнута с помощью недорогих печатная плата изготовление.

Смотрите также

• Балисор, устройство, которое получает энергию от электрического поля, а не от магнитного поля
• Текущий
• Трансформатор тока
• Указатель статей по электронике
• Импульсная мощность
• Тороидальные индукторы и трансформаторы
• Текущее зондирование

Рекомендации

внешняя ссылка

• Катушки Роговского, Использование катушек Роговского для измерения переходных токов, Rocoil Ltd Принцип работы
• Конструкции катушек Роговского, PAC World, осень 2007 г., приложения релейной защиты
• Миниатюрный широкополосный токовый пробник датчик, использующий этот принцип
• PEM UK Теория преобразователя тока Роговского
• Обзор технологии измерения тока катушки Роговского