ES2199811T3 - Sensor de corriente. - Google Patents

Abstract

Un instrumento para detectar y medir una corriente en un conductor (12), comprendiendo el instrumento (10) dos anillos (14) de material magnético configurados para rodear el conductor (12), en el que cada anillo (14) soporta una bobina de alimentación (16), estando dispuestos los bobinados de alimentación (16) para transportar una corriente alterna (18) y dispuestos para magnetizar los anillos (14) con la misma fuerza magnetizante pero en sentidos opuestos, y un bobinado detector (20) conectado a un indicador de corriente (22), estando dispuesto el bobina de detector (20) para responder a la suma de los flujos magnéticos en los dos anillos (14), en el que la magnitud de la corriente alterna suministrada a los bobinados de alimentación (16) es suficientemente grande para asegurar que la densidad de flujo magnético en cada uno de los anillos (14) varíe de una forma no lineal con el valor instantáneo de la corriente alterna, en el que la frecuencia de la corriente alterna suministrada a los bobinados de alimentación (16) es al menos del doble de cualquier corriente alterna a medir en el conductor (12), y en el que el indicador de corriente (22) está configurado para integrar los valores del voltaje inducido en los bobinados detectores (20) a través de una parte predeterminada de cada ciclo sucesivo de la corriente alterna suministrada a los bobinados de alimentación (16).

Description

Sensor de corriente.

Esta invención está relacionada con un método sin contactos físicos y un instrumento para detectar y medir una corriente, particularmente aunque no en forma exclusiva de una corriente que puede ser inferior a 1 Amperio.

El instrumento puede ser utilizado, por ejemplo, para medir y monitorizar la corriente que circula en un circuito de vías. El circuito de seguimiento detecta la presencia de un tren en una sección de la vía mediante la aplicación de un bajo voltaje de CC entre los raíles, y detectando el cambio en la resistencia entre los raíles debido a la presencia de un tren puesto que las ruedas y los ejes proporcionan la conexión eléctrica entre los raíles. La corriente eléctrica de CC que circula en el circuito de la vía cuando está presente un tren es típicamente inferior a 1 Amperio, y puede estar en la gama de 1 mA - 100 mA, y medir dichas corrientes de una forma sin contactos físicos (y por tanto sin modificar el circuito de la vía) es difícil porque el campo magnético de dicha corriente pequeña de CC es significativamente inferior al campo magnético de la Tierra.

En el documento CH-419338 (Universidad de Southampton y otros) se describe un instrumento sin contactos físicos para medir corrientes eléctricas, e instrumentos similares se encuentran descritos en los documentos DE-3940932 (Dorr) y EP-0356171A (Universidad de British Columbia). Este último documento describe un instrumento para detectar y medir una corriente en un conductor, comprendiendo el instrumento dos anillos material magnético configurados para rodear el conductor, en el que cada conductor incluye una bobina de alimentación, estando configurados los bobinados de alimentación para transportar una corriente alterna y dispuestos para magnetizar los anillos con la misma fuerza magnetizante (H) pero en direcciones opuestas, y un bobina de detección conectado a un indicador de corriente, estando dispuesto el bobinado de detección para responder a la suma de los campos magnéticos en los dos anillos, en el que la magnitud de la corriente alterna suministrada a los bobinados de alimentación es suficientemente grande como para asegurar que la densidad del flujo magnético (B) en cada uno de los anillos varia de una forma no lineal con el valor instantáneo de la corriente alterna.

La presente invención proporciona dicho instrumento, en el que la frecuencia de la corriente alterna suministrada a los bobinados de alimentación es al menos del doble de cualquier corriente alterna a medir en el conductor, y en el que el indicador de corriente está configurado para integrar los valores del voltaje inducido en los bobinados detectores a través de una parte predeterminada de cada ciclo sucesivo de la corriente alterna suministrada a los bobinados de alimentación.

El campo magnético de la Tierra, considerado sobre una pequeña región, es esencialmente un campo plano inclinado con el ángulo de inclinación por debajo de la horizontal (por ejemplo, 67º en el Sur de Inglaterra), mientras que el campo magnético debido a la corriente en el conductor es un campo circular alrededor del conductor. Aunque el campo magnético de la Tierra estará distorsionado por la presencia de la vía del tren y de cualquier tren, esta distinción geométrica puede ser utilizada todavía para distinguir entre dos fuentes de campo magnético. Los dos anillos de material magnético, por tanto, están suficientemente cerca en la forma deseable para que el campo magnético de la Tierra sea substancialmente el mismo para cada anillo. En la configuración preferida, los anillos son coaxiales y próximos entre sí, separados solo por el grosor de los bobinados eléctricos y por el aislamiento.

El material magnético que forma los anillos asegura que la relación entre la corriente eléctrica y la densidad del flujo magnético (B) sea no lineal. El material, deseablemente, tiene una alta permeabilidad magnética, ya que esto realza la sensibilidad del instrumento. Las ventajas de una alta permeabilidad se reducirían significativamente si existieran espacios libres de aire en el circuito magnético, por lo que preferiblemente cada anillo es un anillo continuo, y puede ser de forma laminada bobinado a partir de una cinta continua. Alternativamente, cada anillo puede comprender anillos parciales (por ejemplo, dos semianillos en forma de C), los cuales pueden ser ensamblados alrededor del conductor; en este caso, las caras acoplables de los anillos parciales están mecanizas deseablemente de forma uniforme y suave, de forma que cuando se monten no exista ningún espacio de aire significativo. Idealmente, el material magnético tendría un gráfico de histéresis (B/H) casi rectangular, que muestra una saturación magnética repentina, y que tiene una alta remanencia magnética, aunque solo los materiales prácticos solo se aproximan a esto.

El instrumento es capaz de medir corrientes de CC, y corriente de CA de baja frecuencia (idealmente hasta la mitad de la frecuencia de la fuente de corriente alterna). Puede ser utilizado para detectar corrientes que circulen en un cable eléctrico, en cuyo caso los anillos tienen que ser grandes suficientemente para que el cable pase a su través, y podrían ser por ejemplo de 20 mm de diámetro interno. Alternativamente, puede utilizarse para detectar la corriente del circuito de la vía que circula a través de un eje del tren, en cuyo caso cada anillo tiene que ser suficientemente grande para rodear el eje, y siendo por ejemplo de 200 mm de diámetro interno.

La f.e.m. (fuerza electromotriz) alterna conectada a los bobinados de alimentación podría ser sinusoidal, o más preferiblemente una onda cuadrada. La frecuencia es suficientemente baja para que cada anillo sea excitado desde la saturación en una dirección hasta la saturación en el sentido opuesto en cada ciclo, y por tanto siendo usualmente inferior a 10 KHz, más preferiblemente inferior a 1000 Hz, pero preferiblemente al menos 100 Hz. El llegar a la saturación tiene la ventaja de que los puntos extremos del ciclo magnético están perfectamente definidos. Si los anillos fueran idénticos, y no estuviera circulando ninguna corriente en el conductor, entonces no existiría señal alguna suministrada al indicador de corriente. La corriente que circula en el conductor aumentará el flujo magnético en un anillo, mientras hará disminuir el flujo en el otro anillo, y debido a las características no lineales de los anillos, existirá entonces una señal suministrada al indicador de corriente. Si el material magnético de los anillos tuviera una curva de histéresis rectangular ideal, podría esperarse una salida de un impulso conforme un anillo alcanzara la saturación ligeramente antes del otro. En la práctica, las señales de salida suministradas al indicador de corriente son más complejas, pero no obstante pueden estar relacionadas con la corriente en el indicador.

En un segundo aspecto, la invención proporciona un método de detección y medida de una corriente en un conductor, utilizando dicho instrumento.

Se describirá a continuación la invención con más detalles en particular, a modo solo de ejemplo, y con referencia a los dibujos adjuntos en los que:

la figura 1 muestra una vista esquemática de un instrumento para medir la corriente en un conductor, mostrando parcialmente el instrumento en perspectiva;

la figura 2 muestra un diagrama de un circuito eléctrico del instrumento de la figura 1;

las figuras 3a y 3b muestran gráficamente las señales de los voltajes de salida, representadas gráficamente con respecto al tiempo, obtenidas con el instrumento de la figura 1 para diferentes valores de la corriente en el conductor;

la figura 4 muestra gráficamente la variación en la señal de salida en la corriente para el instrumento de la figura 1; y

la figura 5 muestra gráficamente la variación en la señal de salida con la corriente de un instrumento tal como en la figura 1, después de la integración de la señal de voltaje.

Con referencia a las figuras 1 y 2, el instrumento 10 para detectar y monitorizar la corriente de CC en un cable 1 de un diámetro externo de 15 mm comprende dos anillos, cada uno de un diámetro interno de 20 mm, a través de los cuales pasa el cable 12. Los anillos 14 son substancialmente idénticos, y cada uno está bobinado a partir de una cinta de un grosor de 0,05 mm de mumetal, para que tenga una forma laminada (el mumetal es una aleación con una composición aproximada del 18% de Fe, 75% de Ni, 5% de Cu, y 2% de Cr). En cada anillo 14 está bobinada una bobina de alimentación 16 toroidal respectiva, (solo se muestra una espira en la figura 1), de alambre aislado, estando las bobinas 16 conectadas en serie entre sí, y conectadas a una fuente 18 de CA de corriente de alimentación. Las bobinas 16 están dispuestas de forma que las fuerzas magnetizantes (H) en los anillos 14 debidas a la corriente de alimentación sean iguales, pero en sentidos opuestos. Aunque se muestra aparte en las figuras, los anillos 14 se colocan uno a continuación del otro, separados solo por los bobinados 16. Se sobrebobina entonces un devanado de detección 20 alrededor de los anillos 14 conjuntamente (solo se muestra una espira en la figura 1). El flujo magnético encerrado por el bobinado 20 es consecuentemente la suma de los flujos magnéticos de los dos anillos 14, y cualesquiera cambios en dicha suma generará un voltaje en los bobinados 20. Se observará que esto es equivalente a devanar unas bobinas detectoras independientes 20 alrededor de cada anillo 14 y conectando después estas bobinas en serie, tal como se muestra en el diagrama circuital de la figura 2. El devanado detector 20 está conectado a un indicador de corriente 22.

En el uso del instrumento 10, la fuente de alimentación 18 proporciona un voltaje alterna de onda cuadrada a las bobinas de alimentación 16, que en este caso es de una frecuencia de 750 Hz. El instrumento es realmente una red de un puente de CA, y la señal de salida del bobinado detector 20 tiene lugar si existe una diferencia entre los flujos magnéticos en los dos anillos 14. Esto sucede si existe una corriente en el conductor 12, y esto incrementa el flujo en un anillo 14 y disminuye el flujo en el otro anillo14. Debido a las características no lineales del material magnético, el incremento y la disminución no serán los mismos, y por tanto existirá un voltaje inducido en el bobinado detector 20. Esta frecuencia de la corriente alterna (CA) es tal que cada anillo 14 está excitado a saturación en cada semiciclo, utilizando una corriente de pico de 100 mA. (Conforme se incrementa la corriente de excitación, disminuye el tiempo disponible para saturar el material magnético, y por tanto tendría que introducirse energía a un mayor régimen). Para un número dado de espiras en los bobinados de alimentación 16, esto puede conseguirse mediante el ajuste de la corriente de excitación, pero no existe ventaja en incrementar del consumo de energía. Otras consideraciones en la selección de esta frecuencia son que, en principio, la medida de la corriente en el conductor 12 puede hacerse en cada ciclo; para conseguir precisión es preferible promediar varios ciclos. Para permitir las medidas de las corrientes en el conductor 12 hasta, por ejemplo, 10 Hz, la frecuencia de excitación deber ser por tanto al menos de 20 Hz y preferiblemente al menos de 40 Hz. Para evitar la interferencia potencial de otros aparatos eléctricos, es deseable seleccionar una frecuencia que sea múltiplo de la frecuencia de la red eléctrica general, es decir, 50 Hz en Europa.

El voltaje inducido en el bobinado detector 20 puede ser detectado de varias formas, y estar relacionado con la corriente en el conductor 12. Con referencia ahora a las figuras 3a y 3b, muestran gráficamente la variación del voltaje inducido V en el tiempo t (a través de un ciclo del voltaje de alimentación de onda cuadrada), para diferentes valores de la corriente eléctrica I en el conductor 12, según se observa con el instrumento 10 anteriormente descrito. La figura 3a muestra los resultados obtenidos utilizando valores positivos de la corriente I, y la figura 3b muestra los resultados obtenidos con valores negativos de la corriente I, mostrándose ambos independientemente solo para mayor claridad. Se observará que el voltaje inducido V varía de una forma compleja a través de un ciclo, pero los gráficos obtenidos con distintos valores de la corriente pueden ser distinguidos claramente; en la figura 3a las diferencias están más marcadas en el lado derecho del gráfico, mientras que en la figura 3b las diferencias están más marcadas en el lado izquierdo. La forma detallada de estos gráficos depende de la forma de la curva de histéresis del material de los anillos 14, y puede diferir también para anillos de diferentes dimensiones.

Se ha realizado un instrumento detector de corriente de tipo modificado, que difiere del descrito anteriormente en que los anillos 14 de cinta de mumetal fueron bobinados sobre formas de plástico de un diámetro interno de 200 mm, siendo suficientemente grande para que un eje pueda pasar a través de los anillos 14. Las bobinas de alimentación 16 y las bobinas detectoras 20 fueron bobinadas tal como se expuso anteriormente. Las bobinas de alimentación 16 fueron alimentadas con una onda cuadrada de 750 Hz, con una corriente de alimentación de pico de 100 mA. El indicador de corriente 22 en este caso comprende una puerta de sincronización en el tiempo, un filtro y un amplificador de salida conectado a un voltímetro. La puerta de sincronización en el tiempo fue sincronizada con la señal de alimentación, y dispuesta para seleccionar solamente la señal del voltaje en un punto perfectamente definido en el ciclo; la señal resultante fue filtrada para eliminar la frecuencia de conmutación de 750 Hz; y la señal de CC resultante fue amplificada (x10) para obtener lecturas convenientes en un voltímetro digital. Con referencia ahora a la figura 4, se muestran gráficamente las lecturas en el voltímetro digital para una gama de valores distintos de la corriente que circula en un conductor 12 que pasa a través de los anillos 14. Se observará que en este caso en particular, existe una relación generalmente lineal entre el voltaje de salida y la corriente a través de esta gama de corrientes.

Una forma alternativa y preferible de determinar la corriente I a partir de las medidas del voltaje inducido V incluye la integración del voltaje inducido V a través de partes del ciclo, ya que esto proporciona una salida que es menos sensible a los errores de sincronización. La solución preferida es llevar a cabo esta integración a través de la primera y tercera cuartas partes de cada ciclo. Esto puede ejecutarse utilizando un tipo de electrónica analógica en el indicador de corriente 22 de la figura 1, con un conmutador de estado sólido para controlar los instantes en los que se suministra una señal de voltaje al integrador, y un circuito de muestreo y retención para dar salida al resultado de la integración al final de cada ciclo. Este procesamiento de la señal genera una señal de salida la cual, según se muestra en la figura 5 a la cual se hace referencia, varia periódicamente con la corriente I, y siendo lineal a través de una amplia gama de las corrientes I.

Con referencia de nuevo a la figura 1, el instrumento 10 puede ser mejorado adicionalmente mediante el suministro de un bobinado de realimentación 30 excitado por la salida de un indicador de corriente 22, en el que el campo magnético de la corriente en el bobinado de realimentación 30 es opuesto al campo de la corriente en el cable 12. El bobinado de realimentación 30 puede tener muchas espiras, de forma que la corriente de alimentación en el equilibrio pueda ser muchas veces menor que la corriente en el cable 12. La variación en el tiempo del flujo en los anillos 14 se mantiene por tanto cerca de la condición de corriente cero, lo cual tiene un efecto beneficioso para hacer que la operación del instrumento 10 sea substancialmente independiente de las características del circuito magnético. Adicionalmente, se incrementa la gama de corrientes que pueden ser medidas, estando limitadas solo por la capacidad de suministro de una corriente de equilibrio a este bobinado de realimentación 30. La sensibilidad del instrumento 10 con realimentación está dominada por las características de la realimentación, y es por tanto mucho menos dependiente de las características magnéticas de los anillos 14. Con dicho sistema de realimentación, la corriente en el bobinado de realimentación 30 proporciona una medida de la corriente en el cable 12.

Se observará que, en principio, la realimentación puede ser suministrada de esta forma en cualquier instrumento 10 en el cual el voltaje de salida V (tal como se muestra en las figuras 3a y b) haya sido primeramente procesado, para proporcionar una señal de salida de un único valor correspondiente a un valor en particular de la corriente I en el cable 12. El instrumento preferido 10, según se ha descrito anteriormente, integra el voltaje inducido en la primera y tercera cuartas partes de cada ciclo, incluyendo también el bobinado de realimentación 30. La incorporación de un mecanismo de integración con realimentación de este tipo hace esencialmente que el instrumento 10 sea de autoreposicion a cero. Con una frecuencia de alimentación de onda cuadrada de 750 Hz suministrada a las bobinas 16, el instrumento 16 puede medir tanto la corriente continua (CC) en el cable 12, como cualesquiera variaciones en dicha corriente, hasta una frecuencia de aproximadamente 200 Hz.

Se observará también que las señales de voltaje pueden ser analizadas de varias formas además de las descritas anteriormente, y en particular podrían en su lugar ser analizadas digitalmente.

Claims (9)

1. Un instrumento para detectar y medir una corriente en un conductor (12), comprendiendo el instrumento (10) dos anillos (14) de material magnético configurados para rodear el conductor (12), en el que cada anillo (14) soporta una bobina de alimentación (16), estando dispuestos los bobinados de alimentación (16) para transportar una corriente alterna (18) y dispuestos para magnetizar los anillos (14) con la misma fuerza magnetizante pero en sentidos opuestos, y un bobinado detector (20) conectado a un indicador de corriente (22), estando dispuesto el bobina de detector (20) para responder a la suma de los flujos magnéticos en los dos anillos (14), en el que la magnitud de la corriente alterna suministrada a los bobinados de alimentación (16) es suficientemente grande para asegurar que la densidad de flujo magnético en cada uno de los anillos (14) varíe de una forma no lineal con el valor instantáneo de la corriente alterna, en el que la frecuencia de la corriente alterna suministrada a los bobinados de alimentación (16) es al menos del doble de cualquier corriente alterna a medir en el conductor (12), y en el que el indicador de corriente (22) está configurado para integrar los valores del voltaje inducido en los bobinados detectores (20) a través de una parte predeterminada de cada ciclo sucesivo de la corriente alterna suministrada a los bobinados de alimentación (16).

2. Un instrumento según la reivindicación 1, en el que los anillos (14) son coaxiales y juntos entre sí, separados solo por el grosor de los devanados eléctricos (16, 20) y del aislamiento.

3. Un instrumento según la reivindicación 1 ó 2, en el que la fuente (18) de la corriente alterna suministrada a los bobinados de alimentación (16) tiene una variación de onda cuadrada de la f.e.m. (fuerza electromotriz) en el tiempo.

4. Un instrumento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la magnitud de la corriente alterna suministrada a las bobinas de alimentación (16) es suficientemente grande para que cada anillo (14) esté excitado desde la saturación en un sentido hasta la saturación en el sentido inverso en cada ciclo de la corriente alterna.

5. Un instrumento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la corriente alterna suministrada a los bobinados de alimentación (16) es de una frecuencia en la gama de 100 Hz a 1000 Hz.

6. Un instrumento según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, incluyendo también un bobinado de realimentación (30) y medios para generar una corriente en el bobinado de realimentación, dispuestos de forma que el campo magnético debido a la corriente en el bobinado de realimentación (30) tenga el efecto opuesto al campo magnético de la corriente en el conductor (12), siendo la corriente de realimentación tal que el indicador de corriente (22) se mantenga próximo al estado correspondiente a una corriente cero en el conductor (12).

7. Un método para detectar y medir una corriente en un conductor (12), comprendiendo el método la instalación de dos anillos (14) de material magnético alrededor del conductor (12), en el que cada anillo (14) soporta un bobinado de alimentación (16), estando dispuestos los devanados de alimentación para transportar una corriente alterna (18), y dispuestos para magnetizar los anillos (14) con la misma fuerza magnetizante, pero en sentidos opuestos, y un bobinado detector (20) conectado a un indicador de corriente (20), estando dispuesto el bobinado detector (20) para responder a la suma de los flujos magnéticos en los dos anillos (14), en el que la magnitud de la corriente alterna suministrada a los bobinados de alimentación (16) es suficientemente grande para asegurar que la densidad de flujo magnético en cada uno de los anillos (14) varíe de una forma no lineal con el valor instantáneo de la corriente alterna, en el que la frecuencia de la corriente alterna suministrada a los bobinados de alimentación (16) es al menos del doble de cualquier corriente alterna a medir en el conductor (12), y en el que el indicador de corriente (22) proporciona una señal de salida correspondiente a los valores del voltaje inducido en los bobinados detectores (20) integrados sobre una parte predeterminada de cada ciclo sucesivo de la corriente alterna suministrada a los bobinados de alimentación (16).

8. Un método según la reivindicación 7, en el que los anillos (14) incluyen también un bobinado de realimentación (30) conectados a los medios para generar una corriente en el bobinado de realimentación, y dispuestos de forma que el campo magnético debido a la corriente en el bobinado de realimentación (30) tiene el efecto opuesto al campo magnético de la corriente en el conductor (12), y en el que el método incluye el mantenimiento de la corriente de realimentación de forma tal que el indicador de corriente (22) se mantenga cercano al estado correspondiente a una corriente cero en el conductor (12).

9. Un método según la reivindicación 7 ú 8, en el que la señal de salida corresponde a los mencionados valores integrados a través de la primera y tercera cuartas partes de cada ciclo sucesivo.