катушка Роговского

Катушка Роговского , названная в честь Вальтера Роговского , представляет собой электрическое устройство для измерения импульсов переменного тока (AC) или высокоскоростного тока. 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 низкой 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), поместив 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 механизмом блокировки. ^[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

Напряжение, создаваемое катушкой Роговского, равно

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

где

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

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.

катушки Роговского На высоких частотах индуктивность уменьшит ее выходную мощность.

Индуктивность тороида равна ^[8]

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

См. 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

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б 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 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Джон Г. Вебстер, Халит Эрен (ред.), Справочник по измерениям, приборам и датчикам, второе издание: электромагнитные, оптические, радиационные, химические и биомедицинские измерения , CRC Press, 2014 г., ISBN 1-439-84891-2 , стр. с 16-6 по 16-7.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Клаус Шон, Методы измерения высокого импульсного напряжения и тока: основы – измерительные приборы – методы измерения , Springer Science & Business Media, 2013, ISBN 3-319-00378-X , с. 193.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Славомир Туманский, Справочник по магнитным измерениям , CRC Press, 2011, ISBN 1-439-82952-7 , с. 175.
^ Стивен А. Дайер, Исследование приборов и измерений Wiley , John Wiley & Sons, 2004, ISBN 0-471-22165-1 , с. 265.
^ Перейти обратно: ^а ^б Кшиштоф Иневский, «Умные датчики для промышленного применения» , CRC Press, 2013, ISBN 1-466-56810-0 , с. 346.
^ «Что такое катушки Роговского и как они работают?» . аимдинамика . 28 июля 2023 г. . Проверено 26 сентября 2023 г.
^ «Формулы и калькулятор тороидального индуктора» .
^ «О магнитном потенциометре», Философский журнал и научный журнал , том. XXIV, нет. 5-я серия, стр. 94–96, июль-декабрь 1887 г.
^ Вальтер Роговски и В. Штайнхаус в «Измерении магнитного напряжения», Архив электротехники , 1912, 1, часть 4, стр. 141–150.
^ 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

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б 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 .

[:1-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Джон Г. Вебстер, Халит Эрен (ред.), Справочник по измерениям, приборам и датчикам, второе издание: электромагнитные, оптические, радиационные, химические и биомедицинские измерения , CRC Press, 2014 г., ISBN 1-439-84891-2 , стр. с 16-6 по 16-7.

[:2-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с Клаус Шон, Методы измерения высокого импульсного напряжения и тока: основы – измерительные приборы – методы измерения , Springer Science & Business Media, 2013, ISBN 3-319-00378-X , с. 193.

[:3-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Славомир Туманский, Справочник по магнитным измерениям , CRC Press, 2011, ISBN 1-439-82952-7 , с. 175.

[5] Стивен А. Дайер, Исследование приборов и измерений Wiley , John Wiley & Sons, 2004, ISBN 0-471-22165-1 , с. 265.

[:4-6] Перейти обратно: ^а ^б Кшиштоф Иневский, «Умные датчики для промышленного применения» , CRC Press, 2013, ISBN 1-466-56810-0 , с. 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 Роговски и В. Штайнхаус в «Измерении магнитного напряжения», Архив электротехники , 1912, 1, часть 4, стр. 141–150.

[11] Патент на планарный датчик тока Роговского, патент США № 6 414 475 , выдан 2 июля 2002 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]