ИЗМЕРИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ИСКРЫ Российский патент 1994 года по МПК G01R21/06 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к устройствам измерения энергии быстропротекающих импульсных процессов, и может быть использовано для определения отношения энергии разрядных импульсов, возникающих, например, в свечах зажигания, к энергии емкостного накопителя, вызывающего разрядные импульсы.

Известны измерители энергии, основанные на методе перемножения мгновенных значений тока и напряжения с последующим интегрированием.

Недостатками данных измерителей является ограниченность их применения и невысокая точность измерений, обусловленная применением двух измерительных преобразователей - тока и напряжения. По функциональным возможностям эти измерители неприменимы для измерения энергии импульсных разрядов, например, в свечах при разряде предварительно заряженного конденсатора через коммутирующий разрядник.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому, выбранному за прототип, является измеритель энергии искры, содержащий перемножитель сигналов, входы которого подключены к выходам измерительных преобразователей напряжения и тока, а выходы через интегратор соединены с индикатором.

Недостатком данного измерителя является невысокая точность измерения, а также сравнительно узкие функциональные возможности. Низкая точность измерения обуславливается, во-первых, наличием измерительного преобразователя напряжения, в качестве которого при регистрации падения напряжения в искре используются делители напряжения, обладающие значительной погрешностью, во-вторых, тем, что во время отсутствия искрового разряда измерительная цепь не отключается, и в результате измеряется энергия, выделяющаяся в искровом промежутке до начала искрового разряда. Это имеет место, например, в полупроводниковых свечах зажигания, в которых до образования искрового разряда через свечу протекают токи так называемой подготовительной стадии разряда и выделяется значительная энергия. Причиной ограничения функциональных возможностей является также наличие измерительного преобразователя напряжения - делителя напряжения, имеющего более узкий рабочий диапазон частот по сравнению с измерительным преобразователем тока, например трансформатором тока. Причем измерительный преобразователь - делитель напряжения при измерении энергии искры должен подключаться к электродам свечи непосредственно по рабочему торцу свечи, т. е. в непосредственной близости от искрового разряда. При подключении делителя напряжения к высоковольтному вводу свечи измеряется падение напряжения не только в искре, но и на электродах, при этом из-за распределения индуктивности и емкости электродов искажается форма кривой падения напряжения и вносятся большие погрешности в измерения. Это обстоятельство не позволяет применять измеритель энергии для регистрации энергии искрового разряда в свече, установленной на двигателе летательного аппарата, так как, во-первых, подключение входного кабеля делителя напряжения к рабочему торцу свечи осуществить практически невозможно, не нарушая целостности отдельных узлов двигателя, во-вторых, даже если это удается осуществить, входной кабель делителя при подключении его к рабочему торцу свечи искажает аэродинамические процессы в камере сгорания в месте расположения свечи.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей измерителя и повышение точности преобразования входных сигналов.

Это достигается тем, что в измеритель энергии искры, содержащей измерительный преобразователь тока, квадратор, интегратор и индикатор, введены квадратор сигналов, блок калибровки измерителя, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), дискриминатор уровня, два формирователя импульсов, блок обнуления, причем вывод измерительного преобразователя тока соединен с входами квадратора сигналов, вывод которого подключен к входу интегратора, выход интегратора соединен с блоком калибровки измерителя, который своим выходом соединен с входом АЦП, выход АЦП подключен к индикатору, выполненному в виде блока цифровой индикации, вход дискриминатора уровня подсоединен к выходу измерительного преобразователя тока, а выход дискриминатора уровня подсоединен к соответствующим входам первого и второго формирователей импульсов, выход первого формирователя импульса подключен к управляющему входу блока обнуления, включенного в цепь сброса интегратора, выход второго формирователя импульса подключен к управляющему входу АЦП.

На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого измерителя; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы измерителя.

Измеритель энергии искры содержит измерительный преобразователь 1 тока, квадратор 2 сигналов, интегратор 3, блок 4 калибровки, АЦП 5, индикатор 6, дискриминатор 7 уровня, первый 8 и второй 9 формирователи импульсов, блок 10 обнуления.

Принцип работы измерителя основан на методе определения энергии искры по разрядному току. В данном случае энергия искры рассчитывается по формуле
W_н= = R_н·i²dt= Ri2н

Величина искрового сопротивления свечи R_H может быть определена по выражению, вытекающему из равенства энергий, выделяемых при не закороченной и при закороченной свечах (по закону сохранения энергий)
R_н= R - 1, где R_з - эквивалентное сопротивление разрядного контура при закороченной свече;
i_з - мгновенное значение разрядного тока при закороченной свече;
t_з - длительность разряда при закороченной свече.

Получаемое таким образом искровое сопротивление свечи учитывается с помощью блока калибровки преобразователя, что позволяет преобразовать входной сигнал разрядного тока в величину, пропорциональную энергии искры.

Измеритель работает следующим образом.

Измерительный преобразователь 1 тока, например трансформатор тока, подключен последовательно с исследуемым искровым промежутком. В искровом промежутке с определенной частотой образуются искровые разряды (фиг. 2а). В момент появления искрового разряда с преобразователя 1 сигнал, пропорциональный разрядному току, поступает на вход квадратора 2 и на вход дискриминатора 7. На выходе квадратора 2 формируется сигнал, пропорциональный квадрату разрядного тока (фиг. 2б), который поступает на вход интегратора 3. В момент появления искрового разряда срабатывает дискриминатор 7 уровня, который формирует на своем выходе отрицательные логические импульсы (фиг. 2в). По спаду первого импульса срабатывают формирователи 8 и 9. Длительность импульса, формируемого на выходе первого формирователя 8 (фиг. 2г), выбирается равной времени максимальной возможной длительности искры и времени преобразования АЦП 5. Длительность импульса второго формирователя 9 равна времени максимальной возможной длительности искры (фиг. 2д). С выхода первого формирователя 8 импульс поступает на управляющий вход блока 10, который прекращает обнуление интегратора 3. С выхода второго формирователя 9 импульс поступает на управляющий вход АЦП 5, причем по переднему фронту данного импульса осуществляется сброс АЦП, а по заднему фронту - запуск АЦП. В ходе развития разрядного процесса в искровом промежутке на выходе интегратора 3 формируется величина сигнала Х (фиг. 2е), равная
X= i2н

Данная величина поступает на вход блока 4 калибровки измерителя, который формирует, с учетом искрового сопротивления R_Н (для конкретного типа свечи), на своем выходе сигнал, пропорциональный энергии искры. Этот сигнал поступает на вход АЦП 5, где происходит его преобразование в цифровой код. Преобразованная величина энергии искры в цифровом коде поступает для визуального наблюдения в индикаторе 6.

По окончании разрядного процесса и истечении времени, заданного первым формирователем 8, блок 10 обнуления переходит в режим обнуления интегратора 3. Измеритель готов к преобразованию информации следующего разрядного импульса.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемое техническое решение позволяет расширить функциональные возможности и точность преобразования входных сигналов за счет использования одного измерительного преобразователя тока и исключения измерительного преобразователя напряжения, обладающего значительной погрешностью и имеющего более узкий рабочий диапазон частот по сравнению с измерительным преобразователем тока. Кроме того, для снижения погрешности преобразования измерительный преобразователь напряжения при преобразовании и измерении энергии искры должен подключаться к электродам свечи непосредственно по рабочему торцу свечи вблизи к искровому разряду. Это обстоятельство не позволяет применять известные преобразователи энергии искры для регистрации энергии искрового разряда в свече, установленной на двигателе летательного аппарата. Предлагаемое техническое решение лишено этого недостатка и может использоваться для преобразования и регистрации энергии искрового разряда в свече зажигания, расположенной непосредственно в камере сгорания двигателя. (56) Болотин И. Б. и Эйдель Л. З. Измерения в режимах короткого замыкания. М. : Энергия, 1988, с. 149.

Использование: в электроизмерительной технике и для измерения электрической энергии разрядных процессов, возникающих при включении или отключении в коммутационной аппаратуре, в свечах зажигания и устройствах аналогичного назначения. Сущность изобретения: измеритель включает измерительный преобразователь 1 тока, квадратор 2, интегратор 3, блок 4 калибровки, АЦП 5, индикатор 6, дискриминатор 7, формирователи 8 и 9 импульсов, блок 10 обнуления. Особенностью изобретения является введение блоков 2, 4, 5, 7 - 10, что позволило упростить измеритель. 2 ил.

ИЗМЕРИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ИСКРЫ, содержащий измерительный преобразователь тока, интегратор и индикатор, отличающийся тем, что введены блок калибровки измерителя и аналого-цифровой преобразователь, соединенные последовательно, дискриминатор уровня, первый формирователь импульсов и блок обнуления, соединенные последовательно, квадратор сигналов, второй формирователь импульсов, причем выход измерительного преобразователя тока соединен с входом дискриминатора уровня непосредственно и через квадратор сигналов - с первым входом интегратора, второй вход которого соединен с выходом блока обнуления, выход дискриминатора уровня соединен через второй формирователь импульсов с вторым входом аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с входом индикатора, который выполнен в виде блока цифровой индикации, а выход интегратора соединен с входом блока калибровки измерителя.