Thesis (M.Sc.)-Cairo University, 2023.

Bibliography: pages 56-60.

Rogowski coil attracts researchers for measuring power frequency as well as high
frequency currents due to its advantages. These advantages are represented in its
simplicity, low cost, low weight, and its immunity to core saturation. Rogowski coil
consists of a coil that is uniformly wound around a non-magnetic core. Rogowski coil is
fitted around the conductor at which its AC current is needed to be measured. The
resultant AC magnetic field interacts with Rogowski coil turns and an induced EMF is
generated in its winding. The generated EMF must be processed to obtain the measured
current itself. Signal processing that is carried out on the Rogowski coil EMF is called
current reconstruction.
In fact, current reconstruction can be carried out using different techniques. Using
analog integrator is one of most recent used techniques. But with the advances in digital
systems, numerical methods for current reconstruction appear. Numerical integration,
inverse-transfer function, discrete Fourier transforms (DFT) and differentiation are
examples of these numerical methods. The differences between these reconstruction
methods lie mainly in the needed memory locations for signal processing and the needed
time for correct current reconstruction. The new current reconstruction method will be
presented in this thesis. by developing current reconstruction technique. By showing the
results of a power frequency current measurements including low- and high-order
harmonics and this is important in calibration as well as in testing processes. Therefore,
this thesis presents the measurement of the power frequency current of light-emitting
diode (LED) luminaires. The measurement process depends on reconstructing an LED
luminaire current without using the coil parameters. Hence, the current reconstruction
process is designed to be dependent on the measured characteristics of the Rogowski coil
itself considering the frequency range at which the measurement process is required. An
evaluation of the proposed measurement process was theoretically and experimentally
carried out.
On the other hand, Rogowski coil transducer can be affected when current surges
occur in a nearby circuit. Induced EMFs due to nearby surges can be induced in
Rogowski coil windings due to magnetic as well as capacitive coupling between the coil
and the nearby circuit. So, this problem needs to be deeply studied and needs to be solved.
This thesis introduces the results of low-cost shielding method depending on using
aluminum foil sheets. The effectiveness of this shielding is studied through theoretical
and experimental results. The validity of the proposed model of the shielded coil is
examined by using impedance – frequency measurements which carried out using
accurate LCR meter. Finally, the efficacy of the proposed shielding method and the
validity of the shielded coil model are validated through the obtained measurements and
will show Simulation results by MATLAB

فى الآونة الأخيرة زاد إهتمام الباحثين باستخدام ملف روجوسكى لقياس التيار الكهربى في العديد من التطبيقات الكهربية حتي تلك التي تكون ذات الترددات العالية.
ويرجع هذا الإهتمام للمميزات العديدة لملف روجوسكى والتى تتمثل فى بساطته ، رخص ثمنه ، خفة وزنه وكذلك عدم حدوث تشبع مغناطيسى له حيث يعتمد على قلب مصنع من مادة غير مغناطيسية ملفوف عليه ملف مكون من عدة لفات ملفوفة بإنتظام حوله حيث يتم تركيب ملف روجوسكى حول الموصل المراد قياس التيار المار به بنفس الطريقة المستخدمة لمحول التيار التقليدى مما يؤدى لتوليد قوة دافعة كهربية فى لفات ملف روجوسكى والتي يتم إجراء معالجة إشارة لها ومنها يتم الحصول على التيار المراد قياسه وتسمى هذه العملية بإعادة بناء التيار.
وقد ظهرت العديد من الطرق في هذا المجال علي سبيل المثال لا الحصر تم إستخدام طريقة المكامل التناظرى حيث تعد هذه الطريقة من أقدم الطرق المستخدمة فى إعادة بناء التيار ، ولكن مع ظهور الطرق الرقمية اصبح استخدام العلماء والباحثين اكبر لعملية اعادة بناء التيار وزاد الإعتماد عليها فى إعادة بناء التيار الكهربى ومن أشهر هذه الطرق: التكامل الرقمى ، الدالة الناقلة المعكوسة ، متسلسلة فورير ، التفاضل وغيرها من الطرق.
وهذه الرسالة هي امتداد للحصول علي طريقة اكثر دقة واكثر تاثيرا بصورة اسهل من حيث التطبيق وتعتمد علي برمجيات يمكن استخدامها في التطبيقات والاجهزة المختلفة بصورة اكثر تيسيرا وفعالة بشكل اكبر ويمكن تطبيقها علي نطاق اوسع .
كما انها تتناول مقارنة بين أشهر الطرق المستخدمة فى إعادة بناء التيار الكهربى ذو تردد الشبكة وبيان مدي التطوير الحادث عن الطرق السابقة.
ومن خلال الدراسة تم إستنباط طريقة مطورة معتمدة على متسلسلة فورير لإعادة بناء التيار الكهربى ذو تردد الشبكة والمحتوى على توافقيات بترددات منخفضة وعالية وقد حققت الطريقة نتائج دقيقة بمقارنتها بطريقة قياسية سوف يتم ذكرها خلال موضوع الرسالة ، كما تناولت الرسالة أيضا تأثير التيارات العابرة علي اداء ملف الروجوسكي بالقرب من نظام كهربي ، حيث وجد انه يوجد بالفعل تأثر يحدث للملف بهذه التيارات وبناءاً عليه فقد تم إقتراح طريقة للتخلص من هذا التأثير وتمت دراستها عملياً وقد تبين وجود آداء مميز للطريقة المقترحة فى تقليل تأثير التيارات
العابرة على ملف روجوسكى. كما تحتوي الرسالة قائمة مراجع بها (62 مرجع) وتحتوي الرسالة أيضاً علي خمسة أبواب وأيضاً تحتوي علي الابحاث التي تم نشرها من خلال العمل علي هذه الرسالة بمجلات عالمية مثل مجلة (Sensors) ومجلة (IEE).
وفيما يلي شرحا مفصلا عن الخطوط الرئيسية التي تتضمنها الرسالة وما يتناوله كل فصل علي حدي:
الباب الاول :
يتضمن هذا الباب نظرة عامة ومقدمة عن الخلفية التاريخية وشرحاً مبدئياً لملف روجوسكي ، حيث تساهم هذه المقدمة في توضيح الفكرة والحاجة الرئيسية لاستخدام ملف روجوسكي في التطبيقات المختلفة للقياس والحماية، وأيضا يتناول المساهمة والاضافة التي سوف يتم تناولها خلال هذه الرسالة.
الباب الثاني :
يعرض هذا الباب شرحاً تفصيلياً عن تركيب ملف روجوسكي، وأيضاً نظرية عمله لفهم كيفية تشغيله، والتصميمات المختلفة لبعض التطبيقات التي يمكن استخدامه بها، كما يتناول الباب أيضاً المزايا والعيوب والخصائص ولوحة الدوائر المطبوعة (Printed circuit board) لملف الروجوسكي، ونبذة عن عملية إعادة بناء التيار(Current Reconstruction) الخاصة بالملف، بالاضافة الي مقارنة بين التقنيات المختلفة للأساليب السابقة لإعادة بناء تيار ملف روجوسكي، واستعراض الأعمال البحثية السابقة التي تم استخدامها في هذا المجال. كما ان هذا الفصل تناول نبذة مختصرة عن تأثير التيارات العابرة علي اداء ملف الروجوسكي بالقرب من نظام كهربي والأعمال البحثية السابقة التي لها علاقة بهذا الجزء.
الباب الثالث:
تم من خلال هذا الباب تم عرض نتائج قياسات تيارات مختلفة بترددات ذات توافقيات منخفضة وعالية وذلك لما لها من تطبيقات مختلفة في مجالات القياسات والاختبارات و المعايرات. لذلك ، تم اجراء الدراسة علي كشافات الليد خصيصا لانها تحتوي على الترددات ذات التوافقيات المنخفضة والعالية علي حد سواء. كما ان هذا الباب يوضح الطريقة المقترحة خلال هذه الرسالة لعملية إعادة بناء التيار اثناء القياس باستخدام ملف روجوسكي والتي تعتمد في الاساس على الخصائص المقاسة لملف روجوسكي نفسه الذي يتم استخدامه في عملية القياس.
تم إجراء عملية اعادة بناء التيارالمقترحة نظريا وعملياً. حيث تمت القياسات النظرية باستخدام برنامج الماتلاب. وتمت القياسات العملية من خلال تصنيع ملف روجوسكي لاستخدامه في قياس تيارات الدخل لكشافات ليد مختلفة تبلغ قدرتها ( 300 وات و 400 وات و 600 وات). و للتأكد من صحة النتائج تم استخدام تقنية القياس التقليدية باستخدام جهاز معاير وعمل مقارنة للتيارات المقاسة باستخدام ملف روجوسكي مع التيارات المقاسة باستخدام الجهاز المعاير. حيث اظهرت النتائج التي تم الحصول عليها فاعلية ودقة طريقة القياس المقترحة خلال هذا الباب.
الباب الرابع :
في هذا الباب تم عرض النتائج التي تم الحصول عليها من خلال استخدام طريقة أقل تكلفة والتي تم اقتراحها لحماية ملف الروجوسكي من تاثير التيارات العابرة، وذلك باستخدام رقائق الألومنيوم ولفها علي ملف روجوسكي.
اعتمدت هذه الدراسة علي النتائج النظرية والمعملية علي حد سواء. حيث تم إجراء هذه الدراسة من خلال تصنيع ملفين روجوسكي متشابهين أحدهما بدون طبقة الحماية الخارجية (without shield) والآخر محمي باستخدام رقائق الألومنيوم (shielded using aluminum foil sheet ).
تم استخدام مولد لتوليد تيار نبضي عالي في نظام يقع على مسافات مختلفة من الملفين. والتقاط إشارات الجهد المستحث في الملفين باستخدام (Digital oscilloscope). تستخدم إشارات الجهد الملتقطة لتقييم أداء طبقة الحماية المستخدمة وتأثيرها علي ملف روجوسكي.
يؤثر استخدام طبقة الحماية أيضاً على الدائرة المكافئة لملف روجوسكي. وبناءاً عليه ، تم تطوير نموذج الدائرة المكافئة لملف الروجوسكي بعد استخدام طبقة الحماية علي الملف نظرياً باستخدام برنامج الماتلاب. كما تم التأكد من صحة النموذج المقترح للملف بعد استخدام طبقة الحماية باستخدام قياسات تردد المعاوقة (impedance – frequency measurements) التــــــي يتم إجــراؤها باستـخدام جــــهاز (LCR meter) دقيق ومعاير. أخيرا ، تم التأكد من صحة النتائج ونموذج الدائرة المقترح نظرياً من خلال القياسات المعملية لاثبات صحة النتائج النظرية.
الباب الخامس :
يحتوي هذا الباب علي عرض أهم الاستنتاجات التي تم التوصل اليها من خلال هذه الرسالة كما يتضمن بعض المقترحات للنقاط التي يتعين دراستها في المستقبل.

Issued also as CD

Text in English and abstract in Arabic & English.