ДАТЧИК ТОКА Российский патент 1995 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при измерении токов. Изобретение способно заменить используемые в настоящее время для этих целей измерительные трансформаторы тока.

Известно устройство для бесконтактного измерения силы тока [1], содержащее два соосно расположенных одновитковых трансформатора тока, охватывающих участок измерительной цепи. Вторичная обмотка первого трансформатора тока нагружена на сопротивление и подключена к входу усилителя, выход которого соединен с регистратором. К выходу усилителя подключена цепь отрицательной обратной связи, состоящая из резистора и дополнительной обмотки первого трансформатора.

Устройство содержит дополнительную цепь обратной связи, состоящую из резистора и вторичной обмотки второго трансформатора тока.

Использование в устройстве двух цепей обратной связи позволяет свести к нулю методическую погрешность.

Недостаток указанного устройства - значительная конструктивная сложность, обусловленная высокими требованиями к параметрам усилителя, идентичности выполнения обмоток обратной связи, а также сердечников трансформаторов тока.

Известно устройство - трансформатор тока [2], содержащий первичную обмотку, образующую виток, магнитопровод и распределенную вторичную обмотку. Форма витка, образованного первичной обмоткой, повторяет форму магнитной системы в сечении, перпендикулярном оси магнитопровода, а его длина равна средней длине магнитопровода.

Наличие поперечного магнитного потока, создаваемого витком, приводит к росту намагниченности ферромагнитного материала магнитопровода трансформатора тока вдоль оси замыкания основного потока, что приводит к уменьшению МДС намагничивания трансформатора, т.е. к уменьшению его погрешностей.

К недостаткам данного устройства следует отнести трудность в реализации витка первичной обмотки, особенно при измерении больших токов, когда сечение первичной обмотки значительно.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство - датчик тока, содержащий два кольцевых магнитопровода, первый из которых выполнен из материала с высокой магнитной проницаемостью, а второй - из материала с низкой магнитной проницаемостью. Магнитопроводы размещены вокруг проводника с измеряемым током. На первый магнитопровод нанесена первая рабочая обмотка, а на второй магнитопровод - вторая рабочая обмотка и обмотка управления.

Рабочие обмотки соединены между собой согласно-последовательно и вместе с резистором съема информации включены в выходную цепь источника с переключаемой полярностью напряжения.

В состав датчика тока входит также пороговый элемент (усилитель), вход которого подключен к выводам обмотки управления, а выход соединен с коммутирующим вход источника.

За счет изменения полярности напряжения рабочая точка в процессе измерений тока находится на линейном участке кривой намагничивания, в результате чего выходной сигнал пропорционален измеряемому току.

Наличие дополнительного источника со схемой управления, обеспечивающей переключение его полярности, усложняет процесс измерения тока, что следует отнести к его недостаткам.

Цель изобретения - упрощение и увеличение точности измерений.

Достигается поставленная цель в известном датчике тока, содержащем трансформатор тока, который включает в себе ферромагнитный сердечник, на котором размещены первичная и вторичная обмотки, к выходу вторичной обмотки подключены последовательно соединенные усилитель и регистрирующий прибор, тем, что в него введены дополнительно n-короткозамкнутых обмоток (где n ≥ 1), первичная обмотка подключена параллельно участку проводника с измеряемым током, величина которого удовлетворяет условию I=K I₂, где I₂ - ток в первичной обмотке, К - постоянный коэффициент, характеризующий конструктивные параметры.

Именно то, что первичная обмотка датчика подключена параллельно участку проводника с измеряемым током, величина которого удовлетворяет условию I=K I₂, где I₂ - ток в первичной обмотке, К - постоянный коэффициент, характеризующий конструктивные параметры, а на ферромагнитном сердечнике дополнительно расположены n-короткозамкнутых обмоток (где n ≥ 1), достигается упрощение и увеличение точности измерений.

На чертеже изображена принципиальная схема устройства.

Датчик тока содержит ферромагнитный сердечник 1, на котором размещены первичная обмотка 2 и вторичная обмотка 3. К зажимам 4 (АВ) подсоединена первичная обмотка 2. К входу усилителя 5 подсоединен один вывод вторичной обмотки 3, а другой вывод соединен с общей шиной. На проводнике 6 находятся зажимы 4 для подключения первичной обмотки 2. Короткозамкнутая обмотка 7 размещена на ферромагнитном сердечнике 1. Регистрирующий прибор 8 соединен с одним из выводов вторичной обмотки 3, либо с выходом 9 усилителя 5. Нагрузка 10 (Z_н), соединена с клеммами питающей сети 11.

Датчик тока работает следующим образом. При подаче напряжения питания на клеммы 11 по проводнику 6 через нагрузку 10 (Z_н), течет ток I (общий ток), подлежащий измерению. Поскольку первичная обмотка 2, охватывающая ферромагнитный сердечник 1, подсоединена к зажимам 4 (участок АВ) проводника 6, то первичная обмотка 2 и участок АВ проводника 6 образуют параллельное соединение, следовательно, измеряемый ток разветвляется на два тока:
I₂ - ток в первичной обмотке 2 и ток I₁ - на участке АВ. Их величины будут зависеть от величины сопротивлений первичной обмотки 2 и участка АВ.

Сопротивление участка АВ проводника 6 с измеряемым токам можно определить из выражения
R₁ = ρ₁ (1) где ρ₁ - удельное электрическое сопротивление участка АВ, Ом ^. мм²/м;
l₁ - длина участка АВ, м;
S₁ - сечение проводника 6 с измеряемым током I на участке АВ, мм².

Сопротивление первичной обмотки 2 определяется аналогичным образом
R₂ = ρ₂ (2) где ρ₂ - удельное электрическое сопротивление проводника первичной обмотки 2, Ом ^. мм²/м;
l₂ - длина первичной обмотки 2, м;
S₂ - сечение привода первичной обмотки 2, мм².

В любой из ветвей параллельного соединения, образованного сопротивлениями R₁ и R₂ ток может быть определен исходя из общего тока I.

Так, ток в первичной обмотке 2 будет
J₂ = J (3)
или с учетом выражений (1) и (2)
J₂ = J · (4) Поскольку второй сомножитель в выражении (4) есть величина постоянная
= K (5)
то ток первичной обмотки 2 пропорционален измеряемому току, т.е.

I₂=KI (6)
Этот ток, протекая по первичной обмотке 2, создает в ферромагнитном сердечнике 1 магнитный поток, который сцеплен с вторичной обмоткой 3 и индуцирует в ней ЭДС взаимоиндукции - выходной сигнал. Зависимость между выходным сигналом и измеряемым током в соответствии с выражением (6) - линейная. Отклонение от линейности до 10% наблюдается при измерении малых токов до 0,1 А и определяется материалом ферромагнитного сердечника 1, а также чувствительностью регистрирующего прибора 8.

Верхний предел измерения тока практически не ограничен, так как выходной сигнал определяется в основном параметрами выражения (5) и числом витков вторичной обмотки.

Величина измеряемого тока может быть определена непосредственно по шкале регистрирующего прибора 8, отградуированной в единицах измерения тока, либо определена по характеристике преобразования. Все указанное выше подтверждается экспериментально. В качестве регистрирующего прибора 8 может быть использован цифровой вольтметр типа В7-27А. Однако при измерении малых токов возможно использование усилителя 5. В этом случае регистрирующий прибор 8 подсоединяют к выходу 9 усилителя 5, на вход которого подается выходной сигнал с вторичной обмотки 3.

Короткозамкнутая обмотка 7 позволяет как повысить помехозащищенность датчика, так и улучшить линейность преобразования - увеличить точность измерений, т. е. получить более "чистый" выходной сигнал, неискаженный помехой. Она может быть выполнена как одной обмоткой, так и несколькими, а количество витков определяется условиями эксплуатации датчика и не превышает нескольких витков.

Действие короткозамкнутой обмотки объясняется следующим образом.

Помеха, величина, случайная по знаку и амплитуде, наводит в короткозамкнутой обмотке (КЗ) ЭДС самоиндукции, которая вызывает в КЗ обмотке ток, создающий свое электромагнитное поле, направленное встречно основному, что вызывает уменьшение сигнала во вторичной обмотке 3.

Таким образом, внешние воздействия, а также искажения, связанные с неоднородностью материала сердечника, искажающие выходной сигнал, в значительной мере компенсируются полем КЗ обмотки.

Датчик тока прост в изготовлении и эксплуатации, так как не требует для своего изготовления элементов со специальными требованиями. Безопасен в эксплуатации, поскольку его электрические параметры (ток, величина выходного сигнала) весьма малы. Датчик практически не нагружает измерительную цепь и гальванически с нею развязан.

Его использование позволит в большинстве случаев отказаться от громоздких измерительных трансформаторов тока, а также повысить пределы измерения по току серийно выпускаемых приборов.

Таким образом, по сравнению с прототипом, заявляемое техническое решение позволяет упростить и увеличить точность измерений переменных токов.

Использование: в электроизмерительной технике, предназначено для использования при измерении токов. Сущность: датчик тока содержит трансформатор тока, включающий в себя ферромагнитный сердечник, на котором размещены первичная и вторичная обмотки, усилитель, регистрирующий прибор, N-короткозамкнутых обмоток, (где n≥ 1 ), которые повышают помехоустойчивость датчика от случайных помех, которые индуцируют в ней ЭДС, вызывающую в короткозамкнутой обмотке ток, создающий электромагнитное поле, направленное встречно основному. 1 ил.

ДАТЧИК ТОКА, содержащий трансформатор тока, включающий в себя ферромагнитный сердечник, на котором размещены первичная и вторичная обмотки, к выходу вторичной обмотки подключены последовательно соединенные усилитель и регистрирующий прибор, отличающийся тем, что, с целью упрощения и увеличения точности измерений, в него введены дополнительно n короткозамкнутых обмоток (где n ≥ 1), первичная обмотка подключена параллельно участку проводника с измеряемым током, величина I которого удовлетворяет условию I = KI₂, где I₂ - ток в первичной обмотке, K - постоянный коэффициент, характеризующий конструктивные параметры.