Глава 11 Датчики тока и поля

11.1 Пояс роговского

Магнитный пояс или пояс Роговского используют в качестве датчика в большинстве приборов для измерения сварочного тока, выпускаемых в нашей стране и за рубежом. В отечественной литературе его чаще называют магнитный пояс, а за рубежом — пояс Роговского. Магнитный пояс представляет собой катушку с витками, строго равномерно распределенными по длине какой-нибудь ленты, концы которой скреплены. Лента может быть жесткой или гибкой; В качестве основания для катушки может быть использован тор или другое тело, образующее контур обязательно замкнутой формы. Обычно, в целях простоты изготовления и увеличения срока службы катушка размещается на твердом цилиндрическом теле тора, поэтому в некоторых случаях датчики называют тороидами.

Площадь поперечного сечения ленты или тора также должна быть постоянной на всей длине контура. Датчик при измерениях охватывает проводник, по которому течет измеряемый ток. Принцип действия магнитного пояса и предъявляемые к нему требования основаны на законе полного тока, определяющим, что в среде с однородными магнитными свойствами, например в воздухе, линейный интеграл напряженности магнитного поля вдоль замкнутого контура равен электрическому току, охватываемому этим контуром, т.е.

,

где — напряженность магнитного поля; — длина контура; — ток проводника, в данном случае это сварочный ток.

Для воздуха индукция В, тогда

Закон полного тока

H·l=i(t)

где l – длина пояса Роговского,

i(t) – измеряемый ток.

Из за протекания измеряемого тока наводится ЭДС

(4)

где e(t) – ЭДС на выводах пояс Роговского,

n – количество витков,

S – площадь витка или поперечное сечение оправки.

Учитывая что оправка выполнена из немагнитного материала, относительная магнитная проницаемость которого µ=1, а пояс Роговского подключен к входу осциллограф с входным сопротивлением во много раз выше сопротивления катушки (4) можем приписать в виде:

(5)

диняя (2) и (5) получим:

С учетом тока, протекающего по поясу:

коэффициент передачи пояса Роговского

Lpr и Ipr - индуктивность соленоида пояса и ток, протекающий по поясу роговского

Проинтегрируем

Вторым слагаемым мы хотим пренебречь.

Т.е. им можно пренебречь, если рассматривать процессы, много большие, чем постоянная времени пояса.

Если пренебречь вторым слагаемым то получим:

Если для интегрирования использовать RC цепочку, то

где U_RC - напряжение с выхода RC цепочки.

Рассмотрим работу пояса роговского поподробней, с учетом не центрального расположения проводника с током и вследствии этого наличием угла α между вектором индукции и нормалью к витку.

а — схема устройства;

б — схема функциональных преобразований для формирования сигнала, пропорционального сварочному току

Рис. - Тороид

Если считать, что площадь витка намотки (см. рис.)очень маленькая, то можно предположить, что индукция в пределах площади витка постоянна. При таком допущении потокосцепление с витками катушки на бесконечно малом отрезке контура равно

,

где — магнитный поток, пронизывающий один виток катушки; — составляющая вектора индукции,нормально расположенная к площади витка катушки; — число витков катушки; — длина контура катушки; — площадь витка катушки.

Потокосцепление со всеми витками катушки

,

Так как э.д.с., наведенная в катушке,равна скорости изменения потокосцепления, то

.

Формула устанавливает соответствие между числом витков датчика и его геометрическими размерами при заданной величине э.д.с.Очевидно, что с увеличением числа витков в катушке магнитного пояса растет его индуктивность. При низкоомной активной нагрузке датчика выходное напряжение не будет соответствовать скорости изменения измеряемого тока, так как

,

где ; — индуктивность катушки датчика; — ток,потребляемый нагрузкой датчика. Поэтому датчик следует нагружать на большое сопротивление с тем, чтобы членом равенства можно было пренебречь, т.е. чтобы индуктивность датчика существенно не влияла на форму выходного сигнала.

Для формирования сигнала,пропорционального сварочному току, выходное напряжение магнитного пояса(тороида) необходимо интегрировать, т. е. выполнить такое преобразование электрического сигнала датчика, которое соответствует функциональному преобразованию— интегрированию.

В простейшем случае для этих целей к датчику подключается — цепочка (рис. б). Напряжение на конденсаторе является выходным . Выбирают такое большое (обычно ), чтобы можно было пренебрегать индуктивностью датчика. Для схемы, приведенной на рис. б, справедливы равенства:

;

;

,

откуда

;

при

при

;

На основании формулы получаем

.

Для выбора параметров - цепочки важны два условия , .