RU2762518C1 - Broadband ac current sensor on a thin ferromagnetic film - Google Patents
Broadband ac current sensor on a thin ferromagnetic film Download PDFInfo
- Publication number
- RU2762518C1 RU2762518C1 RU2021115950A RU2021115950A RU2762518C1 RU 2762518 C1 RU2762518 C1 RU 2762518C1 RU 2021115950 A RU2021115950 A RU 2021115950A RU 2021115950 A RU2021115950 A RU 2021115950A RU 2762518 C1 RU2762518 C1 RU 2762518C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor
- broadband
- thin
- annular core
- core
- Prior art date
Links
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 8
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 45
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims abstract description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 7
- 230000001447 compensatory effect Effects 0.000 claims 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 238000013528 artificial neural network Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
- G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
- G01R15/18—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers
- G01R15/183—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers using transformers with a magnetic core
- G01R15/185—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using inductive devices, e.g. transformers using transformers with a magnetic core with compensation or feedback windings or interacting coils, e.g. 0-flux sensors
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
- G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно – предназначено для бесконтактного измерения величины переменного тока в широкой полосе частот и может использоваться в различной измерительной и радиоэлектронной аппаратуре.The invention relates to measuring technology, and more specifically, is intended for non-contact measurement of the value of alternating current in a wide frequency band and can be used in various measuring and electronic equipment.
Известно устройство измерения магнитного поля и датчик тока [Патент EP №2520945A1, МПК G01R 33/09, G01R 15/20, опубл. 07.11.2012, Бюл. 2012/45], содержащее проводник с током, формирующим магнитное поле; сердечник произвольной формы с зазором, расположенный вокруг проводника с током; датчик магнитного поля (датчик Холла, датчик на основе гигантского магнетосопротивления), размещенный не в зазоре сердечника, а рядом с ним, таким образом, чтобы он находился под воздействием магнитного поля, формируемого проводником с током. За счет подбора формы сердечника достигается возможность размещения датчика таким образом, чтобы одновременно обеспечить высокую чувствительность устройства и оставить зазор в сердечнике свободным для перемещения через него проводника с током.Known device for measuring the magnetic field and the current sensor [Patent EP No. 2520945A1, IPC G01R 33/09, G01R 15/20, publ. 07.11.2012, Bul. 2012/45], containing a conductor with a current that forms a magnetic field; a free-form core with a gap located around the current conductor; a magnetic field sensor (Hall sensor, sensor based on giant magnetoresistance), placed not in the gap of the core, but next to it, so that it is influenced by the magnetic field generated by the current conductor. By choosing the shape of the core, it is possible to position the sensor in such a way as to simultaneously provide a high sensitivity of the device and leave the gap in the core free for the conductor with current to move through it.
Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков является устройство для измерения величины электрического тока, включающее датчик магнитного потока и предназначенное в частности для электротранспорта [Патент US №5734264, G01R 1/20, G01R 33/07, опубл. 31.03.1998 (прототип)], содержащее как минимум один датчик магнитного поля, помещенный в воздушный зазор кольцевого сердечника, через который проходит как минимум один проводник тока, величину которого необходимо измерить. Компенсационная катушка намотана на сердечник и соединена последовательно с измерительным резистором. Электрическая схема с обратной связью, управляемая выходным сигналом датчика магнитного потока, обеспечивает формирование тока в компенсационной катушке независимо от направления протекания измеряемого тока. Напряжение, снимаемое с измерительного резистора, подается на выход устройства.The closest analogue in terms of a set of essential features is a device for measuring the magnitude of an electric current, including a magnetic flux sensor and is intended in particular for electric transport [US Patent No. 5734264, G01R 1/20, G01R 33/07, publ. 03/31/1998 (prototype)], containing at least one magnetic field sensor, placed in the air gap of the annular core, through which passes at least one current conductor, the value of which must be measured. The compensation coil is wound on a core and connected in series with a measuring resistor. A closed-loop circuit, controlled by the output signal of the magnetic flux sensor, provides the formation of a current in the compensation coil, regardless of the direction of flow of the measured current. The voltage taken from the measuring resistor is applied to the output of the device.
Общим недостатком известной конструкции и конструкции-прототипа является низкая чувствительность и узкая полоса частот, что обусловлено типами применяемых датчиков магнитного поля – это различные типы гальваномагнитных преобразователей (датчики Холла, магниторезистивные преобразователи и др.).A common disadvantage of the known design and prototype design is low sensitivity and a narrow frequency band, which is due to the types of magnetic field sensors used - these are various types of galvanomagnetic transducers (Hall sensors, magnetoresistive transducers, etc.).
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение чувствительности устройства и расширение полосы рабочих частот.The technical result of the claimed invention is to increase the sensitivity of the device and expand the operating frequency band.
Заявляемый технический результат достигается тем, что в широкополосном датчике переменного тока на тонкой ферромагнитной пленке, содержащем датчик магнитного поля, помещенный в воздушный зазор кольцевого сердечника, через который проходит как минимум один проводник с током, величину которого необходимо измерить, компенсационную катушку, намотанную на кольцевой сердечник, новым является то, что в качестве датчика магнитного поля используется высокочувствительный широкополосный датчик слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками, причем режим компенсационных измерений датчика слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками реализуется за счет обратной связи, осуществляемой с помощью компенсационный катушки, намотанной на кольцевой сердечник, а ось чувствительности датчика слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками направлена тангенциально окружности кольцевого сердечника.The claimed technical result is achieved by the fact that in a broadband AC sensor on a thin ferromagnetic film containing a magnetic field sensor placed in an air gap of an annular core, through which at least one conductor with a current to be measured passes, a compensation coil wound on an annular core, new is that a highly sensitive broadband sensor of weak magnetic fields based on microstrip resonators with thin magnetic films is used as a magnetic field sensor, and the mode of compensation measurements of a sensor of weak magnetic fields based on microstrip resonators with thin magnetic films is implemented due to feedback, carried out using a compensation coil wound on an annular core, and the axis of sensitivity of the sensor of weak magnetic fields based on microstrip resonators with thin magnetic films is directed tangentially to the circle gnose core.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается использованием в качестве датчика магнитного поля высокочувствительного широкополосного датчика слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками. Такие датчики обладают высокой чувствительностью, на порядки превышающей чувствительность, например, датчиков Холла. Одновременно с этим датчики обеспечивают равномерный коэффициент преобразования в широкой полосе частот.Comparative analysis with the prototype shows that the claimed device is distinguished by the use as a magnetic field sensor of a highly sensitive broadband sensor of weak magnetic fields based on microstrip resonators with thin magnetic films. Such sensors have high sensitivity, orders of magnitude higher than the sensitivity of, for example, Hall sensors. At the same time, the sensors provide a uniform conversion factor over a wide frequency band.
Существенным отличием является то, что режим компенсационных измерений датчика слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками реализуется с помощью компенсационной катушки, которая намотана на кольцевом сердечнике.A significant difference is that the mode of compensation measurements of a sensor of weak magnetic fields based on microstrip resonators with thin magnetic films is implemented using a compensation coil, which is wound on an annular core.
Другим существенным отличием является то, что ось чувствительности датчика слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками направлена тангенциально окружности кольцевого сердечника, что позволяет получить максимальную чувствительность устройства.Another significant difference is that the axis of sensitivity of the sensor for weak magnetic fields based on microstrip resonators with thin magnetic films is directed tangentially to the circumference of the annular core, which makes it possible to obtain the maximum sensitivity of the device.
Таким образом, перечисленные выше отличительные от прототипа признаки позволяют сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию «новизна».Thus, the above-listed features distinguishing from the prototype make it possible to conclude that the proposed technical solution meets the "novelty" criterion.
Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях и, следовательно, обеспечивают заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».The features that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions and, therefore, ensure compliance with the "inventive step" criterion for the claimed solution.
Сущность изобретения поясняется чертежами: на фиг. 1 показана конструкция широкополосного датчика переменного тока на тонкой ферромагнитной пленке без верхней крышки, а на фиг. 2 показана его конструкция с разнесенными составными частями.The essence of the invention is illustrated by drawings: FIG. 1 shows the structure of a broadband AC sensor on a thin ferromagnetic film without a top cover, and FIG. 2 shows its structure with separated components.
Широкополосный датчик переменного тока на тонкой ферромагнитной пленке содержит (фиг. 1) корпус (1), в котором размещается печатная плата (2) широкополосного датчика слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками (3). Чувствительный элемент этого датчика, включающий микрополосковые резонаторы и тонкие магнитные пленки (3), расположен в воздушном зазоре сердечника (4), на котором намотана компенсационная катушка (5). Через сердечник (4) с компенсационной катушкой (5) проходит один или более проводов (6), общий ток в которых необходимо измерить. Под чувствительным элементом (фиг. 2) размещена магнитная система (7), формирующая подмагничивающее поле. В целях снижения помех сердечник (4) с компенсационной катушкой (5) могут быть экранированы.A broadband AC sensor on a thin ferromagnetic film contains (Fig. 1) a housing (1), which houses a printed circuit board (2) of a broadband weak magnetic field sensor based on microstrip resonators with thin magnetic films (3). The sensing element of this sensor, which includes microstrip resonators and thin magnetic films (3), is located in the air gap of the core (4), on which the compensation coil (5) is wound. One or more wires (6) pass through the core (4) with the compensation coil (5), the total current in which must be measured. A magnetic system (7) is located under the sensitive element (Fig. 2), which forms a bias field. In order to reduce interference, the core (4) with the compensation coil (5) can be shielded.
Широкополосный датчик переменного тока на тонкой ферромагнитной пленке работает следующим образом. Принцип работы датчиков слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками хорошо известен и описан, например, в [Патент РФ №2536083, МПК G01R33/05, G01R33/24, опубл. 20.12.2014]. Протекающий (фиг. 1) по проводнику (6) электрический ток создает в сердечнике (4) магнитный поток. В воздушном зазоре сердечника (4) формируется однородное магнитное поле, величина которого измеряется с помощью датчика слабых магнитных полей на основе микрополосковых резонаторов с тонкими магнитными пленками (3). За счет обратной связи в этом датчике, с помощью компенсационной катушки (5) реализуется компенсационный режим измерений, который позволяет повысить стабильность параметров заявляемого устройства, улучшить его линейность и расширить его динамический диапазон.A broadband AC thin ferromagnetic film sensor works as follows. The principle of operation of sensors of weak magnetic fields based on microstrip resonators with thin magnetic films is well known and described, for example, in [RF Patent No. 2536083, IPC G01R33 / 05, G01R33 / 24, publ. 12/20/2014]. An electric current flowing (Fig. 1) along the conductor (6) creates a magnetic flux in the core (4). A uniform magnetic field is formed in the air gap of the core (4), the value of which is measured using a weak magnetic field sensor based on microstrip resonators with thin magnetic films (3). Due to the feedback in this sensor, with the help of the compensation coil (5), a compensation measurement mode is implemented, which allows increasing the stability of the parameters of the claimed device, improving its linearity and expanding its dynamic range.
Для практической проверки работоспособности широкополосного датчика переменного тока на тонкой ферромагнитной пленке был изготовлен экспериментальный макет (фиг. 1). Экспериментальные исследования показали, что устройство обеспечивает измерение переменных токов с высокой чувствительностью в широкой полосе частот – от 10-2 Гц до 1 МГц. Устройство может быть использовано для мониторинга шин питания ответственных устройств (линии питания космических аппаратов, различных роботизированных платформ и др.). Спектральный анализ в широкой полосе частот с высокой чувствительностью позволяет отслеживать различные переходные процессы в работе систем автоматики, исполнительных устройств и т.п. Например, оценка краткосрочных изменений спектрального состава сигналов бортового питания космического аппарата дает возможность получить информацию о корректном выполнении команд управляющего устройства исполнительными механизмами и о различных отказах, тогда как долгосрочные изменения спектрального состава могут дать информацию о процессах деградации как электронных, так и электромеханических устройств. Анализ спектральных составляющих сигналов питающих цепей позволяет косвенно оценить параметры работы, например, группы импульсных преобразователей вторичного электропитания. Выходной сигнал устройства может быть оцифрован с использованием высокоскоростных аналого-цифровых преобразователей с высокой разрядностью и обработан, например, при помощи корреляционно-экстремальных алгоритмов или нейронных сетей по заранее подготовленной базе данных.For practical testing of the operability of a broadband AC sensor on a thin ferromagnetic film, an experimental model was made (Fig. 1). Experimental studies have shown that the device provides measurement of alternating currents with high sensitivity in a wide frequency range - from 10 -2 Hz to 1 MHz. The device can be used to monitor power buses of critical devices (power lines for spacecraft, various robotic platforms, etc.). Spectral analysis in a wide frequency band with high sensitivity allows you to monitor various transients in the operation of automation systems, actuators, etc. For example, the assessment of short-term changes in the spectral composition of spacecraft onboard power signals makes it possible to obtain information on the correct execution of the commands of the control device by the actuators and on various failures, while long-term changes in the spectral composition can provide information on the degradation processes of both electronic and electromechanical devices. Analysis of the spectral components of the signals of the supply circuits makes it possible to indirectly evaluate the parameters of operation, for example, of a group of pulse converters of the secondary power supply. The output signal of the device can be digitized using high-speed analog-to-digital converters with high bit depth and processed, for example, using extreme correlation algorithms or neural networks using a prepared database.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021115950A RU2762518C1 (en) | 2021-06-03 | 2021-06-03 | Broadband ac current sensor on a thin ferromagnetic film |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021115950A RU2762518C1 (en) | 2021-06-03 | 2021-06-03 | Broadband ac current sensor on a thin ferromagnetic film |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2762518C1 true RU2762518C1 (en) | 2021-12-21 |
Family
ID=80039208
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021115950A RU2762518C1 (en) | 2021-06-03 | 2021-06-03 | Broadband ac current sensor on a thin ferromagnetic film |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2762518C1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1612330A1 (en) * | 1988-04-07 | 1990-12-07 | Московский энергетический институт | Sensor for contact-free measuring of a.c. |
| US5734264A (en) * | 1993-03-29 | 1998-03-31 | Mecagis | Device for measuring electric current, including a sensor sensitive to magnetic flux and intended in particular for electrically propelled vehicles |
| EP2520945A1 (en) * | 2009-12-28 | 2012-11-07 | TDK Corporation | Magnetic field detecting apparatus and current sensor |
| WO2017148826A1 (en) * | 2016-02-29 | 2017-09-08 | Wöhner GmbH & Co. KG Elektrotechnische Systeme | Current measuring device |
-
2021
- 2021-06-03 RU RU2021115950A patent/RU2762518C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1612330A1 (en) * | 1988-04-07 | 1990-12-07 | Московский энергетический институт | Sensor for contact-free measuring of a.c. |
| US5734264A (en) * | 1993-03-29 | 1998-03-31 | Mecagis | Device for measuring electric current, including a sensor sensitive to magnetic flux and intended in particular for electrically propelled vehicles |
| EP2520945A1 (en) * | 2009-12-28 | 2012-11-07 | TDK Corporation | Magnetic field detecting apparatus and current sensor |
| WO2017148826A1 (en) * | 2016-02-29 | 2017-09-08 | Wöhner GmbH & Co. KG Elektrotechnische Systeme | Current measuring device |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Weiss et al. | Crosstalk in circular arrays of magnetic sensors for current measurement | |
| US10139432B2 (en) | Methods and systems relating to improved AC signal performance of dual stage transformers | |
| Di Rienzo et al. | Circular arrays of magnetic sensors for current measurement | |
| US20030151402A1 (en) | Device for contactless measurement of a displacement path, especially for the detection of position and movement | |
| Itzke et al. | The influence of interference sources on a magnetic field-based current sensor for multiconductor measurement | |
| Li et al. | Tunnel magnetoresistance-based noncontact current sensing and measurement method | |
| US20240230722A1 (en) | Non-contact electrical parameter measurement device with radial dual mounted sensors | |
| Weiss et al. | Current measurement of flat conductors with a circular array of magnetic sensors | |
| EP4521123A1 (en) | Alternating current/direct current multi-air-gap magnetoresistive current sensor and current measurement method | |
| CN112666509B (en) | A compensation system and method suitable for magnetic sensitive current sensor | |
| Rietveld et al. | Accurate DC current ratio measurements for primary currents up to 600 A | |
| Zapf et al. | Crosstalk in elliptical sensor arrays for current measurement | |
| Liu et al. | Nonintrusive current sensing for multicore cables considering inclination with magnetic field measurement | |
| Xing et al. | Advanced dual-probes noncontact voltage measurement approach for AC/DC power transmission wire based on the electric field radiation principle | |
| US7417424B2 (en) | Magnetic-field-measuring device | |
| RU2762518C1 (en) | Broadband ac current sensor on a thin ferromagnetic film | |
| Chen et al. | Giant magneto-resistive (GMR) sensors for non-contacting partial discharge detection | |
| Murgatroyd et al. | Geometrical properties of Rogowski sensors | |
| Alvi et al. | 2-D magnetoresistive point field detector-based current sensing for high-density power modules | |
| Bandi et al. | A noninvasive current measurement technique using magnetic sensors for concealed conductors | |
| EP4163987A1 (en) | Magnetic field detection device and magnetic field detection device array | |
| Xiang et al. | Impact of Careless Current Transformer Position on Current Measurement | |
| Hao et al. | Research on Wide-band Domain Current Sensing for Bushing End Screen Based on TMR | |
| KR100724101B1 (en) | AC Current Sensor Using Core Core | |
| Li et al. | Development of transient current sensor based on tunnel magneto resistance effect |