FI108165B - Virtamuunnin vaihtovirran mittaamiseksi - Google Patents

Description

Virtamuunnin vaihtovirran mittaamiseksi 108165

Strömomvandlare for mätning av växelström t 5 Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukainen virtamuunnin vaihtovirran mittaamiseksi.

KWh-mittarissa vaaditaan virranmittaukselta suurta dynamiikkaa (5 mA - 200 A), hyvää häiriönsietokestävyyttä ja hyvää lineaarisuutta. Virtamuuntimen tulee lisäksi olla tun-10 teetön ensiöjohtimessa mahdollisesti olevalle tasavirralle. Virran mittaus perustuu yleisemmin resistanssiin, joka muuttaa virran jännitteeksi, rauta- tai ferriittisydämiseen virtamuuntajaan, induktioilmiöön, missä ensiövirta indusoi toisiokäämiin jännitteen, magneettisiin antureihin (esim. Hall-anturi tai magnetoresistiivinen anturi) tai eräissä tapauksissa magneettikenttää aistivaan valokuituun. Kaikissa paitsi vastukseen perustu-15 vassa muuntimissa mittaus perustuu tavalla tai toisella virran aiheuttaman magneettikentän hyödyntämiseen. Eri menetelmiin liittyy hyviä ja huonoja piirteitä. Perinteinen virtamuuntaja on kookas ja se ei siedä tasavirtaa, joten nykyaikaisissa kWh-mittareissa sen käytöstä ollaan luopumassa.

20 Keksinnön mukaisessa virtamuuntimessa käytetään gradiometria ensiövirtajohtimessa kulkevan vaihtovirran mittaamiseen. Ensiövirtajohtimessa kulkeva vaihtovirta synnyttää ympärilleen magneettikentän, joka kytkeytyy toisiopiirinä olevaan gradiometriin. Gra-diometriin kytkeytyvä magneettikenttä synnyttää puolestaan gradiometriin jännitesig-naalin, joka voidaan mitata.

25

Gradiometri on magneettikenttää tunnistava elementti, jonka ulostulosta saadaan magneettikentän gradienttiin verrannollinen toisiosignaali. Gradiometrejä käytetään mitatta-, essa heikkoja magneettikenttiä häiriöitä sisältävässä ympäristössä, sillä gradiometri vaimentaa ulkoisten häiriömagneettikenttien vaikutusta.

Gradiometrin kertaluvulla tarkoitetaan asteeltaan pienintä derivaattaa, joka voidaan kyseisellä gradiometrilla mitata. Nollannen asteen gradiometri, eli magnetometri mittaa ainoastaan paikan suhteen vakiokenttää. Ensimmäisen asteen gradiometri antaa puoles- 30 2 108165 taan kahdessa pisteessä mitattujen magneettiyuon tiheyksien erotuksen. Samalla rakenne myös kumoaa ulkoisen häiriön, jos se on paikan suhteen vakio, eli häiriö on kaikkien magneettikenttätunnistimien kohdalla saman suuruinen. Ensimmäisen asteen gradiomet-ri siis kumoaa ulkoisen häiriön nollannen derivaatan. Toisen asteen gradiometrilla 5 voidaan mitata magneettikentän 2. derivaatta ja sillä voidaan kumota häiriökenttä, joka on paikan suhteen vakio tai lineaarisesti muuttuva (0. ja 1. derivaatta) jne. Kertaluvun N gradiometrissa on oltava vähintään N+l magneettikenttätunnistinta.

Hakijan FI-patentissa 98865 on esitetty eräs menetelmä vaihtovirran mittaamiseksi, 10 vaihtovirran mittaamiseen tarkoitettu mittausanturi ja sen käyttö kWh-mittarissa. Menetelmässä sovitetaan virtajohdinjärjestelmän sisälle tai välittömään läheisyyteen ainakin ensimmäisen kertaluvun gradiometri, jolloin virtajärjestelmässä kulkeva virta indusoi gradiometriin jännitteen. Virtajohdinjärjestelmän muoto ja gradiometrin käämi-rakenteen muoto sovitetaan yhteen siten, että ulostulosignaali on olennaisesti riippuma-15 ton virtajohdinjärjestelmän ja gradiometrin keskinäisessä asemassa tapahtuvista pienistä muutoksista.

US-patentissa 4,894,610 on esitetty staattiseen sähköenergiamittariin tarkoitettu virta-muuntaja. Virtamuuntaja käsittää ensiövirtajohtimen, jossa mitattava vaihtovirta kulkee 20 ja toisiopiirin, joka muodostuu ainakin kahdesta sarjaan kytketystä käämistä. Toisiopii-rin ulostulojännite on johdettu elektroniseen integrointiasteeseen taajuudesta riippumattoman mittaussignaalin muodostamiseksi. Ensiövirtajohdin on muodostettu silmukaksi maksimaalisen magneettikentän tuottamiseksi. Toisiopiiri on muodostettu astaatti-sesti sähköisesti identtisillä käämeillä maksimaalisen magneettisen kytkennän saavutta-25 miseksi. Käämit voivat olla sylinterimuotoisia tai tasossa ja niiden akselit ovat yhdensuuntaiset. Ainakin toinen käämeistä sijaitsee pisteessä, jossa ensiövirtajohtimen tuottaman magneettikentän voimakkuus on suurin. Toisiopiirin käämit kytkeytyvät ensiövirtajohtimen tuottamaan magneettikenttään vain paikallisesti yhdessä pisteessä, jolloin toisiopiirin käämeihin indusoituneiden jännitteiden summa vastaa ensiövirtajoh-30 timessa virtaavaa virtaa. Toisiopiirin käämit ovat tässä ensimmäisen asteen gradiomet-reja.

3 108165

Keksinnön päämääränä on aikaansaada yksinkertainen ja luotettava gradiometriin perustuva virtamuunnin vaihtovirran mittaamiseksi. Keksinnön mukaisen virtamuunti-' men tulee lisäksi soveltua massatuotantoon ja sen virranraittauksen dynamiikan tulee olla riittävä, eli ulottua alueelle 5 mA - 200 A.

5

Keksinnön päämäärät saavutetaan patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosan mukaisella j virtamuuntimella.

Keksinnön mukaisella virtamuuntimella päästään kompaktiin rakenteeseen. Ensiövirta-10 johtimen virtasilmukoiden ja gradiometrien halkaisijat ovat pienet, jolloin mahdollisen ulkopuolisen epähomogeenisen AC-häiriön vaimennus paranee.

Keksinnön mukaisessa virtamuuntimessa käytettävä ensiöviitajohdin on lisäksi helppo valmistaa esim. kuparilevystä ja piirilevy, johon toisiopiirinä toimiva gradiometri 15 voidaan muodostaa on helppo kiinnittää jämäkästi ensiövirtajohtimen virtasilmukoiden haarukkamaiseen väliin.

Keksinnön mukaisen virtamuuntimen ensiövirtapiirin vahvuutena on myös sen tuottama ympyräsymmetrinen tasainen magneettikenttä. Tämän ansiosta virtamuunnin ei ole 20 kovin herkkä pienille virtamuuntimen toisiopiirinä toimivan gradiometrin ja ensiövirtajohtimen välisille liikkeille. Jos toisiopiirin gradiometri siirtyy virtasilmukoiden välises-sä tasossa hieman, niin magneettikenttä kasvaa gradiometrin toisella reunalla ja pienenee vastaavasti gradiometrin toisella reunalla, jolloin geometria kompensoi pieniä liikkeitä.

25

Keksinnön mukaisen virtamuuntimen toisiopiirinä käytettävä gradiometri voidaan muodostaa piirilevylle. Jos kysymyksessä on suuret virrat ja jännitteet, gradiometri on joko ensimmäisen tai toisen kertaluvun gradiometri. Kun kyseessä on pienet virrat ja jännitteet, gradiometri voi mahdollisesti olla kolmannen, neljännen, viidennen tai jopa 30 kuudennen kertaluvun gradiometri. Luonnollisesti kertaluvun kasvaessa systeemi tulee monimutkaisemmaksi.

» · 4 108165

Piirilevylle muodostetun gradiometrin vaimennus homogeeniselle magneettikentälle saadaan erittäin suureksi (yli 1000). Homogeeninen magneettikenttä ei siten aiheuta virhettä virtamuuntimen ulostulosignaalissa. Jos käytetään toisen kertaluvun gradiomet-riä, virtamuunnin on tunteeton myös lineaarisesti paikan funktiona muuttuvalle kentälle. 5 Toisen kertaluvun gradiometriin perustuva virtamuunnin ei siten häiriinny voimakkaastakaan häiriökentästä. Koska virtamuuntimen toiminta perustuu induktioilmiöön, virtajohtimen tasavirran synnyttämä tasamagneettikenttä tai ulkopuolinen tasamagneet-tikenttä ei vaikuta virtamuuntimen toimintaan. Virtamuuntimen häiriövaimennusta voidaan vielä parantaa asentamalla virtamuuntimen ympärille magneettinen suoja.

10

Keksinnön mukainen virtamuunnin ei myöskään ole herkkä ensiövirtajohtimen pienille muodonmuutoksille. Tällaisia muodonmuutoksia ensiövirtajohtimeen aiheuttavat mm. pakkasesta ja auringon paisteesta aiheutuvat lämpötilamuutokset. Myös suuret mitattavat vinat esim. noin 80 ... 100 A aiheuttavat ensiövirtajohtimen lämpölaajenemisia. 15 Keksinnön mukainen virtamuunnin toimii virherajojensa sisällä lämpötila-alueella noin -40 °C ...+80 °C.

Keksintöä selitetään yksityiskohtaisesti viittaamalla oheisien piirustuksien kuvioissa esitettyihin keksinnön eräisiin edullisiin suoritusmuotoihin, joihin keksintöä ei ole 20 kuitenkaan tarkoitus yksinomaan rajoittaa.

Kuviossa 1 on esitetty kaaviomaisesti keksinnön mukaisen virtamuuntimen ensiövirta-johdinrakennetta.

25 Kuviossa 2 on esitetty kuviossa 1 esitetyn ensiövirtajohdinrakenteen synnyttämän magneettikentän muotoa ensiövirtajohtimen virtasilmukoiden välissä vaakatasossa.

Kuviossa 3 on esitetty kuviossa 1 esitetyn ensiövirtajohdinrakenteen synnyttämän magneettikentän muotoa ensiövirtajohtimen virtasilmukoiden välissä pystytasossa.

30

Kuviossa 4 on esitetty kaaviomaisesti keksinnön mukaisessa virtamuuntimessa käytettä-: ' vää ensimmäistä gradiometria.

5 108165

Kuviossa 5 on esitetty kaaviomaisesti keksinnön mukaisessa virtamuuntimessa käytettävää toista gradiometria.

5 Kuviossa 6 on esitetty kaaviomaisesti kuvioissa 4 ja 5 esitettyjen gradiometrien sähköistä kytkentää.

Kuviossa 7 on esitetty kaaviomaisesti keksinnön mukaisessa virtamuuntimessa käytettävää vaihtoehtoista ensimmäistä gradiometria.

10

Kuviossa 8 on esitetty kaaviomaisesti keksinnön mukaisessa virtamuuntimessa käytettävää vaihtoehtoista toista gradiometria.

Kuviossa 9 on esitetty kaaviomaisesti kuvioissa 7 ja 8 esitettyjen vaihtoehtoisten gra-15 diometrien sähköistä kytkentää.

Kuviossa 10 on esitetty kaaviomaisesti räjäytyskuvana keksinnön mukaista virtamuun-ninta.

20 Kuviossa 11 on esitetty kaaviomaisesti räjäytyskuvana kolmivaiheisen virran mittaukseen soveltuvaa keksinnön mukaista virtamuunninta.

• <

Kuviossa 12 on esitetty kaaviokuva yksivaiheisen kWh-mittarin mittauspiiristä, jossa keksinnön mukaista virtamuunninta voidaan käyttää.

25

Kuviossa 13 on esitetty kaaviokuva kolmivaiheisen kWh-mittarin mittauspiiristä, jossa keksinnön mukaista virtamuunninta voidaan käyttää.

Kuviossa 1 näkyy keksinnön mukaisen virtamuuntimen ensiövirtajohdin 10. Ensiövir-30 tajohdin 10 muodostuu kahdesta olennaisesti pitkänomaisen suorakaiteen muotoisesta väliosasta 11, 111, jotka sijaitsevat välimatkan päässä toisistaan olevissa pystytasoissa . siten, että väliosien 11, 111 pituussuunta ulottuu vaakatason suuntaisesti. Väliosien 11, 6 108165 111 toinen pääty on avattu vaakasuuntaisella hahlolla 12, jolloin väliosien kyseiseen päätyyn muodostuu olennaisesti kumossa olevan U-kiijaimen muotoinen osuus 13a, 13b. Väliosien 11, 111 kumossa olevien U-kiqaimien alemmat sakarat 13a, 113a on yhdistetty toisiinsa vaakatasossa olevalla olennaisesti ympyrän muotoisella ensimmäi-5 sellä silmukalla 30 ja väliosien 11, 111 kumossa olevien U-kiijaimien ylemmät sakarat 13b, 113b on yhdistetty toisiinsa vaakatasossa olevalla olennaisesti ympyrän muotoisella toisella silmukalla 40. Väliosien 11, 111 silmukoihin 30, 40 nähden vastakkaisiin päätyihin on sovitettu virtajohdinliittimet 14, 114. Väliosissa 11,111 on lisäksi ulokkeet 11a, lila, joiden avulla ensiövirtajohdin 10 lukitaan sitä ympäröivään tukiosaan 70 10 (kuvio 10).

Virta kulkee siis ensimmäisestä virtaliittimestä 14 ensimmäiseen väliosaan 11, jonka toisessa päässä virta haarautuu kumossa olevan U-kiijaimen kahteen sakaraan 13a, 13b. Ensimmäinen osa virrasta kulkee alemman sakaran 13a kautta alempaan ensimmäiseen 15 silmukkaan 30 ja siitä edelleen toisen väliosan 111 kumossa olevan U-kiijaimen alempaan sakaraan 113a. Toinen osa virrasta kulkee ensimmäisen väliosan 11 kumossa olevan U-kiijaimen ylemmän sakaran 13b kautta ylempään toiseen silmukkaan 40 ja siitä edelleen toisen väliosan 111 kumossa olevan U-kiijaimen ylempään sakaraan 113b.

Tämän jälkeen osavirrat yhtyvät toisen väliosan 111 yhtenäisessä osuudessa, jonka 20 jälkeen virta palaa toiseen väliosaan 111 liitetystä virtaliittimestä 114.

·*: Ensiovirtajohtimen 10 silmukoiden 30, 40 johtimien leveys d2 vaakatasossa on 2 mm ja niiden korkeus h2 pystytasossa on 2 mm. Silmukoiden 30, 40 välinen vapaa etäisyys hi pystytasossa on 4 mm ja silmukoiden 30, 40 reikien halkaisija di on 9 mm. Ensiövirta-25 johtimen 10 väliosien 11, 111 leveys d3 vaakatasossa on 2 mm ja korkeus I13 pystytasossa on 10 mm. Ensiövirtajohtimen 10 kokonaispituus liittimineen on noin 60 mm.

• A

Ensiövirtajohdin 10 voidaan valmistaa esim. 2 mm paksusta kuparilevystä käyttäen puristintyökalua. Ensin tehdään muodon aihion leikkaus ja sitten muodon taivutus.

30 Tämä on massatuotantoon soveltuva menetelmä, missä vain siis leikataan aihio ja taivutetaan muotoonsa puristamalla. Ensiövirtajohtimen poikkipinta-alan tulee olla 7 108165 • · 2 riittävän suuri, mieluimmin yli 7 mm , jotta ensiövirtajohdin ei lämpene liikaa suurilla virroilla.

Kuviossa 2 on esitetty kuviossa 1 esitetyn ensiövirtajohtimen 10 synnyttämän magneet-5 tikentän muotoa virtasilmukoiden 30, 40 välissä vaakatasossa. Pystyakselin magneettikentän B arvot vastaavat tilannetta, jossa ensiövirtajohtimessa 10 kulkee tehollisarvol-taan 10 A vaihtovirta. Magneettikenttä B on symmetrinen X-akselilla olevan nollapisteen suhteen. Tämä nollapiste sijaitsee ensiövirtajohtimen 10 ensimmäisen 30 ja toisen 40 silmukan keskipisteitä yhdistävän janan keskipisteessä ja X-akseli kulkee ensiövir-10 tajohtimen 10 pituussuuntaisesti tasossa, joka on yhdensuuntainen virtasilmukoiden 30, 40 tasojen kanssa. Kuviosta nähdään myös, että ensiöjohtimen 10 synnyttämä magneettikenttä B on vakio tasossa, jota rajoittaa silmukoiden 30, 40 keskipisteitä yhdistävän janan keskipisteeseen säteellä noin 2,5 mm piirretty ympyrä. Magneettikenttä B on lisäksi positiivinen säteellä noin 6 mm piirretyn ympyrän rajoittamalla tasolla.

15

Kuviossa 3 on esitetty kuviossa 1 esitetyn ensiövirtajohtimen 10 synnyttämän magneettikentän muotoa virtasilmukoiden 30, 40 välissä pystytasossa. Myös tässä esitetyt magneettivuon tiheysarvot B vastaavat tilannetta, jossa ensiövirtajohtimessa 10 kulkee tehollisarvoltaan 10 A vaihtovirta. Z-akselilla oleva nollapiste sijaitsee ensiövirtajohti-20 men 10 ensimmäisen 30 ja toisen 40 silmukan keskipisteitä yhdistävän janan keskipisteessä ja Z-akseli kulkee ensiövirtajohtimen 10 korkeussuuntaisesti tasossa, joka on ·· kohtisuoraan virtasilmukoiden 30, 40 tasoihin nähden. Kuviosta nähdään, että ensiövir tajohtimen 10 synnyttämä magneettikenttä B muuttuu suhteellisen vähän kun siirrytään silmukoiden 30, 40 keskipisteitä yhdistävän janan suuntaisesti virtasilmukoiden 30, 40 25 välillä.

Kuvioiden 2 ja 3 perusteella voidaan päätellä, että kuviossa 1 esitetyn ensiövirtajohti- • · · men 10 tuottama magneettikenttä on suhteellisen vakio sylinterissä, jonka keskiakseli yhtyy virtasilmukoiden 30, 40 keskipisteitä yhdistävään janaan, jonka korkeus ulottuu 30 silmukoiden 30, 40 väliseen vapaaseen tilaan ja jonka halkaisija on noin 5,0 mm.

le ft - 1 1 8 108165

Kuviossa 4 on esitetty keksinnön mukaisen virtamuuntimen ensimmäinen gradiometri 50, joka voidaan sijoittaa vaakatasossa ensiövirtajohtimen 10 silmukoiden 30, 40 väliseen tilaan. Ensimmäinen gradiometri 50 muodostuu spiraalimaisesti tasoon käämitystä keskikäämistä 51 sekä kahdesta keskikäämin 51 ulkokehän ympärille symmetri-5 sesti puoliympyrän segmentin ulkorajoja myötäillen tasoon käämitystä sivukäämistä 52, 53. Keskikäämi 51 ja sivukäämit 52, 53 sijaitsevat samassa tasossa.

Kuviossa 5 on esitetty keksinnön mukaisen virtamuuntimen toinen gradiometri 60, joka vastaa kuviossa 4 esitettyä gradiometria 50 ja kuviossa 6 on esitetty gradiometrien 50, 10 60 sähköinen kytkentä.

Virtamuuntimen gradiometreihin 50, 60 perustuva toisiopiiri voidaan toteuttaa esim. neljästä kerroksesta muodostuvalle piirilevylle. Gradiometrit 50, 60 on muodostettu piirilevyn kahteen keskimmäiseen kerrokseen ja piirilevyn ulommaiset sähköä johtavat 15 kerrokset toimivat virtamuuntimen ensiöpiirin 10 ja toisiopiirin 50, 60 välisinä staattisina suojina. Virtamuuntimen toisiopiirin kytkentä esivahvistinelektroniikan (ei esitetty kuviossa) kahden liityntäpisteen välillä on seuraava (kuviot 4 ja 5): • Esivahvistuselektroniikan ensimmäinen liitäntäpiste on liitetty pisteeseen A, joka 20 sijaitsee piirilevyn toisessa kerroksessa olevan ensimmäisen gradiometrin 50 ulkokehän ulkopuolella.

• Pisteestä A siirrytään ensimmäisen gradiometrin 50 sivukäämeihin 52, 53, joissa kuljetaan myötäpäivään keskelle päin pisteisiin B ja C.

25 • Pisteistä B ja C siirrytään piirilevyn kolmanteen kerrokseen toisen gradiometrin 60 sivukäämien 62, 63 keskellä oleviin pisteisiin D ja E. 1

Pisteistä D ja E kuljetaan myötäpäivään toisen gradiometrin 60 sivukäämeissä 62, 30 63, jonka jälkeen sivukäämit 62, 63 yhtyvät sivukäämien 62, 63 sisäosalla ja siirry tään toisen gradiometrin 60 keskikäämiin 61 ulkokehälle.

• < • 4 9 108165 • Toisen gradiometrin 60 keskikäämissä 61 kuljetaan vastapäivään keskikäämin 61 keskelle pisteeseen F.

• Pisteestä F siirrytään piirilevyn toisessa kerroksessa olevan ensimmäisen gradiomet-5 rin 50 keskikäämin 51 keskellä olevaan pisteeseen G, josta kuljetaan vastapäivään ulospäin keskikäämin 51 ulkokehällä olevaan pisteeseen H.

• Pisteestä H siirrytään jälleen piirilevyn kolmanteen kerrokseen toisen gradiometrin 60 pisteeseen K ja siitä ulos toisen gradiometrin 60 ulkokehän ulkopuolella olevaan 10 pisteeseen L, josta siirrytään esivahvistuselektroniikan toiseen kytkentäpisteeseen.

Kuviosta 6 näkyy, että ensimmäisen gradiometrin 50 sivukäämit 52, 53 on kytketty keskenään rinnakkain samoin kuin toisen gradiometrin 60 sivukäämit 62, 63. Sivukää-miparit 52, 53; 62, 63 on sen sijaan kytketty sarjaan samoin kuin keskikäämit 51, 61.

15

Kuvioissa 4 ja 5 esitetyn piirilevylle muodostetun gradiometrin 50, 60 ulkohalkaisija on alueella 10-30 mm, edullisesti 22 mm ja gradiometrin virtajohtimen leveys on alueella 50-300 pm, edullisesti 150 pm. Gradiometrin 50, 60 keskikäämin 51, 61 kierrosluku-määrä on alueella 5-50, edullisesti 12 ja sivukäämien 52, 53; 62, 63 kierroslukumäärä 20 on alueella 1-20, edullisesti 5. Keskikäämin 51, 61 efektiivinen pinta-ala on yhtä suuri kuin yhden sivukäämin 52, 53; 62, 63 efektiivinen pinta-ala, jolloin gradiometrin ulos-.* tulo on nolla homogeenisessa AC-magneettikentässä. Keskikäämien 51, 61 painoarvo on sarjaan kytkennästä johtuen 1 ja sivukäämien 52, 53; 62, 63 painoarvo on rinnankyt-kennästä johtuen 0,5. Esim. keskikäämin 51, 61 efektiivisellä pinta-alalla ei tarkoiteta 25 keskikäämin 51, 61 uloimmaisen käämikierroksen ulkosäteen perusteella laskettua pinta-alaa. Efektiivinen pinta-ala lasketaan sen sijaan summaamalla jokaisen erillisen ·, käämikieiToksen pinta-ala Atot-A |.kierrost~A2.kierros~hA3.kierros"K..“hAn.kierros-

Kuvioissa 4 ja 5 esitetyt gradiometrit 50, 60 tulee lisäksi mitoittaa siten, että keskikäämi 30 51,61 sijaitsee kokonaisuudessaan alueella, jossa magneettikenttä on positiivinen B > 0, eli keskikäämin 51, 61 ulkosäteen tulee olla < 6 mm. Sivukäämien 52, 53; 62, 63 tulee 108165 ίο puolestaan kokonaisuudessaan sijaita alueella, jossa magneettikenttä on negatiivinen B < 0, eli sivukäämien 52, 53; 62, 63 sisäsäteen tulee olla > 6 mm.

Kuvioissa 4 ja 5 esitetyt gradiometrit 50, 60 ovat lähinnä toisen kertaluvun gradiomet-5 reja.

Kuviossa 7 on esitetty keksinnön mukaisen virtamuuntimen vaihtoehtoinen ensimmäinen gradiometri 500, joka voidaan sijoittaa vaakatasossa ensiövirtajohtimen 10 silmukoiden 30, 40 väliseen tilaan. Tämä vaihtoehtoinen ensimmäinen gradiometri 500 10 muodostuu spiraalimaisesti tasoon käämitystä keskikäämistä 501 sekä yhdestä keski-käämin 501 ulkokehän ympärille spiraalimaisesti tasoon käämitystä ulkokäämistä 502. Keskikäämi 501 ja sivukäämi 502 sijaitsevat samassa tasossa.

Kuviossa 8 on esitetty keksinnön mukaisen virtamuuntimen vaihtoehtoinen toinen 15 gradiometri 600, joka vastaa kuviossa 7 esitettyä gradiometria 500 ja kuviossa 9 on esitetty vaihtoehtoisten gradiometrien 500, 600 sähköinen kytkentä.

Virtamuuntimen vaihtoehtoisiin gradiometreihin 500, 600 perustuva toisiopiiri voidaan toteuttaa vastaavalla tavalla kuin kuvioissa 4 ja 5 esitettyihin gradiometreihin 50, 60 20 perustuva piiri esim. neljästä kerroksesta muodostuvalle piirilevylle. Gradiometrit 500, 600 muodostetaan piirilevyn kahteen keskimmäiseen kerrokseen ja piirilevyn ulommaiset sähköä johtavat kerrokset toimivat virtamuuntimen ensiöpiirin 10 ja toisiopiirin 500, 600 välisinä staattisina suojina. Virtamuuntimen toisiopiirin kytkentä esivahvistinelekt-roniikan (ei esitetty kuviossa) kahden liityntäpisteen välillä on seuraava (kuviot 7 ja 8): 25 • Esivahvistuselektroniikan ensimmäinen liitäntäpiste on liitetty pisteeseen AI, joka sijaitsee piirilevyn toisessa kerroksessa olevan ensimmäisen gradiometrin 500 ulko-käämin 502 ulkokehän ulkopuolella.

30 · Pisteestä AI siirrytään ensimmäisen gradiometrin 500 ulkokäämiin 502 jossa kulje taan vastapäivään keskelle päin pisteeseen Bl.

108165 π • Pisteestä B1 siirrytään piirilevyn kolmanteen kerrokseen toisen gradiometrin 600 keskikäämin 601 ulkokehän pisteeseen Cl, josta kuljetaan myötäpäivään mainitun keskikäämin 601 keskelle pisteeseen Dl.

5 · Pisteestä Dl siirrytään piirilevyn toiseen kerrokseen ensimmäisen gradiometrin 500 keskikäämin 501 keskelle pisteeseen El, josta kuljetaan myötäpäivään mainitun keskikäämin 501 ulkokehälle pisteeseen Fl.

• Pisteestä El siirrytään jälleen piirilevyn kolmanteen kerrokseen toisen gradiometrin 10 600 ulkokäämin 602 sisäkehän pisteeseen G1, josta kuljetaan vastapäivään mainitun ulkokäämin 602 ulkokehän ulkopuolella olevaan pisteeseen Hl, josta siirrytään esi-vahvistuselektroniikan toiseen kytkentäpisteeseen.

Kuviosta 9 näkyy, että ensimmäisen gradiometrin 500 ja toisen gradiometrin 600 käämit 15 501, 502; 601, 602 on kytketty keskenään sarjaan.

Kuvioissa 7 ja 8 esitetyn piirilevylle muodostetun gradiometrin 500, 600 ulkohalkaisija on alueella 10-30 mm, edullisesti 19 mm ja gradiometrin virtajohtimen leveys on alueella 50-300 pm, edullisesti 150 pm. Gradiometrin 500, 600 keskikäämin 501, 601 20 kierros lukumäärä on alueella 5-50, edullisesti 16 ja ulkokäämin 502, 602 kierrosluku-määrä on alueella 1-20, edullisesti 5. Keskikäämin 501, 601 efektiivinen pinta-ala on ♦· yhtä suuri kuin ulkokäämin 502, 602 efektiivinen pinta-ala, jolloin gradiometrin ulos tulo on nolla homogeenisessa AC-magneettikentässä.

25 Kuvioissa 7 ja 8 esitetyt gradiometrit 500, 600 tulee lisäksi mitoittaa siten, että keski-käämi 501, 601 sijaitsee suurimmaksi osaksi alueella, jossa magneettikenttä on positii-. vinen B > 0, eli keskikäämin 501, 601 ulkosäteen on edullista olla < 6 mm. Ulkokäämin 502, 602 tulee puolestaan kokonaisuudessaan sijaita alueella, jossa magneettikenttä on negatiivinen B < 0, eli ulkokäämin 502, 602 sisäsäteen tulee olla > 6 mm. Pisteet Bl, Fl 30 ja Cl, G1 sijaitsevat sellaisessa kohdassa, että virtamuuntimen ulostulo on nolla homogeenisessa AC-magneettikentässä.

12 108165

Kuvioissa 7 ja 8 esitetyt gradiometrit 500, 600 ovat lähinnä toisen kertaluvun gra-diometreja.

Kuvioissa 7 ja 8 esitetyillä gradiometreilla 500, 600 päästään hieman kompaktimpaan 5 rakenteeseen kuin kuvioissa 4 ja 5 esitetyillä gradiometreilla 50, 60. Kuvioissa 7 ja 8 esitetyillä gradiometreilla saadaan myös hieman suurempi ulostulosignaali, jolloin esivahvistusta voidaan pienentää. Pienempi esivahvistus taas parantaa virtamuuntimen häiriönsietokykyä.

10 Kuviossa 10 on esitetty räjäytyskuva keksinnön mukaisesta anturista. Kuviossa näkyy ensiövirtajohdin 10 sekä tukiosa 70, jonka välityksellä ensiövirtajohdin 10 kiinnitetään piirilevyyn 80. Tukiosa 70 voidaan työntää piirilevyn 80 päälle ja kiinnittää piirilevyyn 80 kahdella tapilla 71, 72, jotka ulottuvat tukiosassa 70 olevien porausten ja piirilevyssä olevien porausten 81, 82 läpi. Piirilevyn 80 kahteen sisäkerrokseen voidaan muodostaa 15 kuvioissa 3 ja 4 tai 7 ja 8 esitetyt gradiometrit 50, 60; 500, 600. Kun ensiövirtajohdin 10 työnnetään paikoilleen tukiosaan 70 gradiometrien 50, 60; 500, 600 keskipisteet asettuvat ensiövirtajohtimen 10 kahden virtasilmukan 30, 40 keskipisteitä yhdistävän janan keskipisteen ylä- ja alapuolelle. Ensiövirtajohdin 10 asettuu tukevasti tukiosaan 70 väliosien 11, 111 ja niissä olevien ulokkeiden 11a, lila avulla. Kuviossa näkyy myös 20 sylinterimäinen magneettinen suoja 90, joka voidaan työntää virtamuuntimen tukiosan 70 päälle. Piirilevyssä 80 tarvitaan hahlo 83, jotta suoja 90 voidaan työntää tukiosa 70 päälle. Magneettinen suoja 90 voi olla esim. rautaputki.

Kuviossa 11 on esitetty räjäytyskuva keksinnön mukaisesta virtamuuntajasta sovellettu-25 na kolmivaiheisen virran mittaamiseen. Kunkin vaiheen R, S, T ensiövirtajohtimet 10a, 10b, 10c voidaan työntää ja lukita tukiosaan 70. Tukiosa 70 voidaan puolestaan työntää piirilevyn 80 päälle ja lukita siihen tapeilla 71, 72, jotka työnnetään tukiosan 70 ja piirilevyn 80 läpi ulottuviin porauksiin 81, 82. Kukin ensiövirtajohdin 10a, 10b, 10c kytkeytyy omaan piirilevyyn 80 muodostettuun gradiometriinsa 50a, 60a; 500a, 600a; 30 50b, 60b; 500b; 600b; 50c, 60c; 500c, 600c. Kuviossa ei ole esitetty magneettista suojaa, mutta se voidaan toteuttaa esim. rautalevyllä, joka myötäilee tukiosan 70 ulkoreunoja.

13 108165

Kuviossa 12 on esitetty kaaviokuva yksivaiheisen kWh-mittarin mittauspiiristä. Jännite-puolen mittauspiiri käsittää suojauspiirin 210, jonka tehtävänä on suojata kWh-mittaria sähköverkosta tulevilta ylijännitepiikeiltä. Suojauspiiriä 210 seuraa jännitepiiri 220, 5 joka kytketään mitattavan kulutuskohteen jännitteeseen vaihejohtimen ja nollajohtimen välille. Jännitepiirissä verkkojännitteestä muodostetaan kertojalle 250 sopivan suuruinen signaalitaso. Virtapuolen mittauspiiri käsittää keksinnön mukaisen virtamuuntimen 230, jota seuraa esivahvistin 240, jolla virtamuuntimen 230 toisiopiirin gradiometrista saatua jännitesignaalia vahvistetaan kertojalle sopivalle tasolle. Kertojassa 250 kerrotaan 10 mitattavan kulutuskohteen jännitteeseen ja virtaan verrannolliset signaalit keskenään, jolloin saadaan arvo kulutuskohteen kulloisellekin teholle. Tehoa integroidaan ajan suhteen, jolloin saadaan kulutuskohteen kuluttama sähköenergia. Mittauspiirin lasku-laitteena 260 voidaan käyttää mekaanista rumpulaskuria tai digitaalista LCD-näyttöä. Mittauspiiriin kuuluu lisäksi standardin mukaiset pulssilähdöt 270, joiden pulssimäärä 15 on verrannollinen sähköenergian kulutukseen, pulssia/kWh.

Kuviossa 13 on esitetty kaaviokuva kolmivaiheisen kWh-mittarin mittauspiiristä. Jännitepuolen mittauspiiri muodostuu kolmesta suojauspiiristä 210a, 210b, 210c ja kolmesta jännitepiiristä 220a, 220b, 220c. Virtapuolen mittauspiiri muodostuu vastaa-20 valla tavalla kolmesta virtamuuntimesta 230a, 230b, 230c sekä kolmesta esivahvisti-mesta 240a, 240b, 240c. Kertojassa 250 suoritetaan myös vaihekohtaisten suureiden summaus.

Ensiövirtajohtimen 10 virtasilmukoiden 30, 40 tulee sijaita päällekkäin olennaisesti 25 yhdensuuntaisissa tasoissa, jotta ensiövirtajohtimen magneettikentästä tulisi symmetrinen. Jos ensiövirtajohtimen 10 magneettikenttä vääristyy toispuoleiseksi, virtamuunti- ^ mesta tulee paikkaherkempi. Jos virtasilmukoiden 30, 40 tasot eivät ole yhdensuuntaisia ja poikkeama on arviolta suurempi kuin muutama aste, esim. noin 5°, ensiövirtajohtimen muodonmuutokset voivat johtaa sallittua suurempaan virheeseen mittauksissa.

30

Myös ensiövirtajohtimen 10 virtasilmukoiden 30, 40 väliin sijoitettava piirilevy 80 ja toisiopiirinä käytettävä piirilevyyn muodostettu gradiometri tai gradiometrit 50, 60; 500, 14 108165 600 tulee sijaita olennaisesti yhdensuuntaisessa tasossa virtasilmukoiden tasoihin nähden. Poikkeamat tästä aiheuttavat virtamuuntimen paikkaherkkyyden lisääntymistä.

Kuvioissa esitetyissä suoritusmuodoissa on toisiopiirissä käytetty kahta gradiometria 50, 5 60; 500, 600, mutta keksinnön kannalta tämä ei sinänsä ole olennaista. Keksinnön kannalta voidaan käyttää N (N = 1, 2, 3...) gradiometria ensiövirtajohtimen virtasilmukoiden välissä. Kuvioissa esitetyllä kahdesta gradiometrista muodostuvalla rakenteella päästään kuitenkin suhteellisen yksinkertaiseen rakenteeseen ja saavutetaan normaalisti mitattavilla virroilla riittävä signaalitaso toisiopiirissä. Kuvioissa esitetyllä kahdesta 10 gradiometrista muodostuvalla rakenteella päästään myös toisen asteen gradiometriin.

Edellä on esitetty ainoastaan eräitä keksinnön edullisia suoritusmuotoja ja alan ammattimiehelle on selvää, että niihin voidaan tehdä lukuisia modifikaatioita oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

Claims (16)

15 108165

1. Virtamuunnin vaihtovirran mittaamiseksi käsittää ensiövirtajohtimen (10), jossa on kaksi rinnakkain kytkettyä olennaisesti ympyrän muotoista virtasilmukkaa (30, 40) ja 5 ainakin yhden olennaisesti tasomaisen ympyrän muotoisen gradiometrin (50, 60), tunnettu siitä, että ensiövirtajohtimen (10) virtasilmukat (30, 40) sijaitsevat samankes-kisesti päällekkäin välimatkan päässä toisistaan olevissa olennaisesti yhdensuuntaisissa tasoissa ja että gradiometri tai gradiometrit (50, 60; 500, 600) sijaitsee virtasilmukoiden (30,40) välissä virtasilmukoiden (30, 40) tasoihin nähden olennaisesti yhdensuuntaises-10 sa tasossa tai tasoissa, jolloin ensiövirtajohtimen (10) virtasilmukoissa (30, 40) kulkeva ensiövirta kytkeytyy magneettikentän välityksellä gradiometriin tai gradiometreihin (50, 60; 500, 600) ja synnyttää gradiometrissa tai gradiometreissä (50, 60; 500, 600) en-siövirtaan verrannollisen jännitteen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, että gradiometrin tai gradiometrien (50, 60; 500, 600) keskipiste sijaitsee ensiövirtajohtimen (10) virtasilmukoiden (30, 40) keskipisteitä yhdistävällä janalla.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, että ensiövirtajohti-20 men (10) virtasilmukoiden (30, 40) väliin on sijoitettu kaksi samankeskistä päällekkäistä gradiometria (50, 60; 500, 600) siten, että gradiometrien (50, 60, 500; 600) .** keskipisteet sijaitsevat symmetrisesti ensiövirtajohtimen (10) virtasilmukoiden (30, 40) keskipisteitä yhdistävän janan keskipisteen molemmin puolin.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, että gradiometrit (50, 60; 500, 600) on muodostettu nelikerroksisen piirilevyn (80) kahteen keskimmäiseen ‘ 'm kerrokseen piirilevyn (80) uloimmaisten sähköä johtavien kerrosten toimiessa ensiöpii- rin ja toisiopiirin välisenä staattisena suojana.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, että kukin gradiometri (50, 60) on muodostettu spiraalimaisesti tasoon käämitystä keski-.* käämistä (51, 61) sekä kahdesta keskikäämin (51, 61) ulkokehän ympärille puoliympy- 16 108165 rän segmentin ulkorajoja myötäillen tasoon käämitystä sivukäämistä (52, 53; 62, 63), jolloin kunkin gradiometrin (50, 60) kaikki kolme käämiä (51, 61; 52, 53; 62, 63) sijaitsevat samassa tasossa.

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, että kunkin gradiomet rin (50, 60) kaksi sivukäämiä (52, 53; 62, 63) on kytketty keskenään rinnan, että sivu-käämiparit (52, 53) ja (62, 63) on kytketty sarjaan ja että keskikäämit (51, 61) on kytketty keskenään ja sivukäämiparien kanssa sarjaan.

7. Patenttivaatimuksen 5 tai 6 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, että kunkin gradiometrin (50, 60) keskikäämin (51, 61) efektiivinen pinta-ala on yhtä suuri kuin yhden sivukäämin (52, 53; 62, 63) efektiivinen pinta-ala.

8. Jonkin patenttivaatimuksen 5-7 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, että kunkin 15 gradiometrin (50, 60) keskikäämien (51, 61) kierroslukumäärä on alueella 5-50, edullisesti 12.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 5-8 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, että kunkin gradiometrin (50, 60) sivukäämien (52, 53; 62, 63) kierroslukumäärä on alueella 1-20, 20 edullisesti 5. ·1' 10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, että kukin gradiometri (500, 600) on muodostettu spiraalimaisesti tasoon käämitystä keskikäämistä (501, 601) sekä yhdestä keskikäämin (501, 601) ulkokehän ympärille spiraalimaisesti 25 tasoon käämitystä ulkokäämistä (502, 602), jolloin kunkin gradiometrin (500, 600) molemmat käämit (501, 502; 601, 602) sijaitsevat samassa tasossa. *

11. Patenttivaatimuksen 10 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, että gradiometrin (500, 600) kaikki neljä käämiä (501, 502; 601, 602) on kytketty sarjaan. 30 108165' 17

12. Patenttivaatimuksen 10 tai 11 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, että kunkin gradiometrin (500, 600) keskikäämin (501, 601) efektiivinen pinta-ala on yhtä suuri kuin vastaavan ulkokäämin (502, 602) efektiivinen pinta-ala.

13. Jonkin patenttivaatimuksen 10-12 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, että kunkin gradiometrin (500, 600) keskikäämien (501, 601) kierroslukumäärä on alueella 5-50, edullisesti 16.

14. Jonkin patenttivaatimuksen 10-13 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, että 10 kunkin gradiometrin (500, 600) ulkokäämin (502, 602) kierroslukumäärä on alueella 1- 20, edullisesti 5.

15. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, että ensiövirtajohdin (10) on kytketty ensiövirtajohdinta (10) ympäröivän tukiosan (70) 15 välityksellä piirilevyyn (80).

16. Patenttivaatimuksen 15 mukainen virtamuunnin, tunnettu siitä, että virtamuunnin on suojattu ulkopuolisilta magneettisilta häiriöiltä mainitun tukiosan (70) ympärille sovitetulla magneettisella suojalla (90). 1 * < 18 108165