ИЗМЕРИТЕЛЬ НАВЕДЕННЫХ ТОКОВ Российский патент 1997 года по МПК G01R19/22 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для построения встроенных устройств контроля наведенных токов в цепях электрических систем и приборов для определения электромагнитной стойкости к воздействию высокочастотных электромагнитных полей, грозовых разрядов и т.п.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для измерения наведенных токов [1] содержащее термопреобразователь, входные зажимы которого соединены с входом устройства, запоминающий элемент, элемент задержки, источник постоянного тока, причем запоминающий элемент и элемент задержки выполнены каждый в виде тороидального сердечника из ферромагнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса, на котором размещены первичная и вторичная обмотки, положительный и отрицательный полюса источника постоянного тока соответственно подключены к концу и началу вторичной обмотки элемента задержки, выводы первичной и вторичной обмоток запоминающего элемента соответственно присоединены к считывающему входу и выходу устройства, первичные обмотки элемента задержки и запоминающего элемента соединены последовательно-согласно, причем конец первичной обмотки элемента задержки подключен к положительному зажиму термопреобразователя, а начало первичной обмотки запоминающего элемента соединено с его отрицательным выходным зажимом.

В известном устройстве при считывании не требуется отключение запоминающего элемента от термопары. Однако введение элемента задержки в цепь обмотки снижает чувствительность устройство за счет активного сопротивления обмотки элемента задержки.

Кроме того, имеется ряд недостатков, присущих этому устройству, а именно
влияние явления так называемой магнитной аномалии на результат измерения, заключающегося в том, что после установки потока в сердечнике наблюдается медленное изменение его до 2-3% это прямым образом вносит погрешность в результат измерения, время, в течение которого изменяется поток, составляет от нескольких минут до 20.30 [2, 3]
влияние ударов, вибрации на результат измерения. Магнитные сплавы весьма чувствительны к механическим напряжениям, которые возникают при ударах и вибрациях. Причем чем выше магнитные свойства материала, тем сильнее сказывается воздействие механических напряжений.

Например, для сердечников из магнитного сплава 50НП, амортизированных селиконовой смазкой, после воздействия ударов с ускорением 50 g и вибраций 10g изменение магнитной индукции Br и коэрцитивной силы He составили 4% [3] Литературные данные об изменении характеристик при воздействии ударных нагрузок на сплавы 79НМ, 80НХС отсутствуют. Сплавы 79НМ, 80НХС, как имеющие наименьшее значение He, используются для измерения тока термопары термопреобразователя. Однако известно, что чем ниже He, тем выше чувствительность к удару. Сплавы 79НМ, 80НХС имеют He в 10 раз меньше He слава 50НП. Исследования показали, что погрешность от удара с ускорением 1000 g для сплавов 79НМ, 80НХС может достичь 10.15%
В прототипе при считывании термопара термопреобразователя не шунтирует обмотку записи запоминающего элемента за счет введения в цепь записи элемента задержки. Однако при записи информации блок считывания должен отключаться от обмотки записи, т.к. в противном случае сигнал термопары будет шунтироваться в какой-то степени подключенным блоком считывания. Необходимость многократного отключения и подключения блока считывания усложняет и увеличивает время градуирования. На практике эта операция производится с помощью электрических разъемов. Следует заметить, что использование тумблеров и контактов реле для подключения и отключения блока считывания не допустимо, поскольку контакты тумблеров и реле при коммутации генерируют ЭДС, которая вносит погрешность в результат градуировки. В известных устройствах магнитные элементы начинают намагничиваться от сигнала напряжением 0,3 мВ.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание измерителя токов с повышенной достоверностью измерений, технический же результат выразится в устранении трансформаторной связи между обмотками записи и считывания, а также упрощении градирования измерителя наведенных токов.

Это достигается тем, что в измеритель наведенных токов, содержащий термопреобразователь, входные выводы которого являются входом устройства, первый запоминающий магнитный сердечник, на котором размещены первые обмотки записи и считывания, блок считывания, согласно изобретению введены второй запоминающий магнитный сердечник с вторыми обмотками записи и считывания, резистор, выходные выводы термопреобразователя соединены с первой обмоткой записи, а вторая обмотка записи зашунтирована резистором, первые выводы обмоток считывания соединены между собой и подключены к первому входу блока считывания, а вторые выводы обмоток считывания подключены к второму и третьему входам блока считывания соответственно, причем каждый сердечник имеет три отверстия, первое отверстие выполнено перпендикулярно второму и третьему отверстиям и расположено между ними, в первом отверстии размещена обмотка записи, во втором и третьем отверстиях обмотка считывания. Кроме того, блок считывания содержит генератор одиночных импульсов, первый и второй транзисторы, первый и второй резисторы, первое и второе пороговые устройства, ключ и измеритель временных интервалов, вход которого соединен с выходом ключа, выход генератора одиночных импульсов соединен с базами транзисторов, эмиттеры которых через резисторы соединены с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения и через первое и второе пороговое устройство с первым и вторым входами ключа соответственно, при этом первый вход блока считывания соединен с положительным полюсом источника постоянного напряжения, а коллекторы транзисторов соединены с вторым и третьим входами блока считывания соответственно.

Сопоставительный анализ признаков изобретения с признаками прототипа показывает, что заявляемый измеритель наведенных токов отличается наличием новых блоков и соответствующих новых связей между ними, а также особым выполнением запоминающего элемента, что дает основание считать его соответствующим критерию "новизна".

На фиг. 1 представлена схема измерителя наведенных токов; на фиг. 2 - участок магнитного сердечника; на фиг. 3 характеристика магнитного материала сердечника; на фиг. 4 временные диаграммы, поясняющие принцип работы измерителя.

Измеритель (фиг. 1) содержит блок записи 1, включающий термопреобразователь 2, первый запоминающий магнитный сердечник 3, на котором размещены первая обмотка записи 4 и первая обмотка считывания 5, второй запоминающий магнитный сердечник 6, на котором имеются вторая обмотка записи 7 и вторая обмотка считывания 8, резистор 9, блок считывания 10, включающий генератор одиночных импульсов 11, первый и второй транзисторы 12 и 13, резисторы 14, 15, первое пороговое устройство 16, второе пороговое устройство 17, ключ 18 и измеритель временных интервалов 19.

Сердечники 3 и 6 выполнены из магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса. Обмотки записи 4, 7 размещены в отверстиях, расположенных перпендикулярно второму и третьему отверстиям, в которых размещены обмотки считывания 5, 8.

Измеритель наведенных токов работает следующим образом.

В режиме записи блок записи 1 отключают от блока считывания 10 и входные клеммы 20, 21 блока записи подключают к исследуемой электрической цепи. В исходном состоянии при отсутствии в исследуемой цепи наведенных токов сердечник 3 находится в состоянии остаточного насыщения Φ_r (фиг. 3). Сердечник 6, предназначенный для компенсации дестабилизирующих факторов, всегда находится в состоянии Φ_r. При появлении на входе измерителя в исследуемой цепи наведенного сигнала, например высокочастотного, последний преобразуется термопреобразователем 2 в постоянное напряжение, под действием которого в первой обмотке записи 4 протекает ток I_т.

Магнитный сердечник 3 под воздействием тока I_т изменяет исходное состояние, если

где H_т напряженность поля трогания, при котором начинается необратимое намагничивание сердечника 3;
l средняя длина силовой линии сердечника относительно первого отверстия;
ω₃₁ число витков обмотки записи 4.

При выполнении условия (1) под действием I_т создаваемое магнитное поле записи Н_з намагничивает сердечник 3 из состояния Φ_r на некоторую величину ΔΦ (фиг. 3). При этом исчезновение сигнала на входе измерителя в силу запоминающих свойств магнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса не вызывает изменения остаточного потока DF. Записанная в сердечнике 3 информация о величине тока I в виде остаточного потока DF хранится в блоке записи практически неограниченное время.

В режиме считывания блок записи 1 подключают через контакты 22, 23, 24 к блоку считывания 10. В момент t₁ (фиг. 4А) включают генератор одиночных импульсов 11, который формирует прямоугольный импульс. Длительность импульса, равную t₄-t₁, устанавливают больше времени намагничивания сердечника 3 из состояния DF в состояние F_m. Импульс с генератора 11 открывает транзисторы 12, 13, которые одновременно подают на обмотки считывания 5, 8 прямоугольные импульсы фиксированной амплитуды U (фиг. 4А). Сердечники 3, 6 одновременно начинают изменять магнитные состояния. Сердечник 6 намагничивается из состояния Φ_r в состояние Φ_m, а сердечник 3 из состояния ΔΦ в -Φ_m. На резисторах 14, 15 формируются соответствующие импульсы намагничивания сердечника 6 (фиг. 4Б) и сердечника 3 (фиг. 4В). Пороговые устройства 16, 17 срабатывают при намагничивании сердечников в состояние насыщения Φ_m и подают перепад напряжения (фиг. 4Г, 4Д) на первый и второй входы ключа 18, который открывается пороговым устройством 16 (формирующим в момент t₂ насыщение сердечника 6) и закрывается пороговым устройством 17 (формирующим в момент t₃ насыщение сердечника 3). В результате на выходе ключа 18 получаем разностный импульс считывания τ_c=τ_c1-τ_c2, где τ_c1 и τ_c2 время намагничивания сердечников 6 и 3 соответственно.

Время импульса считывания определяется выражением

где ω_c количество витков обмоток считывания сердечников 3, 6;
ΔΦ остаточный поток в сердечнике 3;
DF_m изменение потока, обусловленное обратимыми процессами после насыщения сердечников 3, 6 (фиг. 3);
ΔΦ(δ) изменение потока от дестабилизирующих факторов сердечников 3, 6.

По предварительно снятым градуировочным характеристикам, представляющим собой зависимость времени τ_c считывания от величины входного тока и энергии входных импульсов, определяют их значения в условиях измерений наведенных сигналов.

После считывания сердечники возвращаются в исходное состояние Φ_r и блок записи 1 готов регистрировать информацию. Блок считывания 10 отключается от блока записи 1 в случае использования блока записи как встроенного устройства в исследуемой цепи. Однако съем измерителя позволяет производить запись информации (в отличие от известных устройств) и при подключенном блоке считывания, что значительно упрощает и сокращает градуировку измерителя.

Кроме того, возможность измерения при подключенном блоке считывания расширяет функциональные возможности, т.к. при считывании через заданные промежутки времени предложенное устройство дает возможность воспроизвести характер изменения наведенных сигналов во времени.

В смысле записи сигнала с термопреобразователя в магнитный сердечник предложенное устройство практически не отличается от прототипа. Поэтому предложенное устройство так же, как и прототип, может работать в двух режимах: в режиме записи тока наведенных высокочастотных сигналов и в режиме записи энергии наведенных импульсов (например, в случае воздействия грозового разряда). При этом параметры сердечника 3 выбирают таким образом, чтобы сердечник работал в режиме записи непрерывным током. В этом режиме записи используется линейный участок восходящей ветви петли гистерезиса, а намагничивание сердечника 3 практически производится по статической петле гистерезиса [3] Данный режим записи еще называют режимом записи с токовым управлением.

Благодаря такому режиму записи предложенный измеритель, как и прототип, позволяет регистрировать максимальные значения тока или энергии наведенных импульсов тока из серии сигналов различной амплитуды, а также энергию однократных импульсов тока.

Рассмотрим работу магнитного сердечника в режиме записи с токовым управлением. Как уже отмечалось, сердечник в этом режиме работает на использовании линейного участка в статической характеристике ΔΦ=f(F) зависимости уровня устанавливаемого в сердечнике потока ΔΦ от действующей намагничивающей силы F=I_т•ω₃₁, где I_т ток термопары термопреобразователя, протекающий в обмотке 4 записи ω₃₁ сердечника 3.

В режиме с токовым управлением уровень остаточного потока ΔΦ не зависит от времени протекания тока в обмотке записи, т.е. сердечник в этом режиме не обладает интегрирующими свойствами. Иначе говоря, при поступлении сигналов на сердечник последний их не накапливает. Единственным параметром, определяющим уровень намагничивания сердечника, это значение тока в обмотке записи 4, создающего намагничивающую силу F. При этом время действия F на сердечник должно быть больше времени установления потока DF в сердечнике. В предложенном устройстве это условие выполняется. В режиме измерения тока для термопреобразователя ТП2601А время выхода термоЭДС до установившегося постоянного значения составляет 400 мсек, а в режиме измерения энергии однократных импульсов минимальные регистрируемые сердечником импульсы с термопреобразователя имеют длительность более 50 мсек. Максимальное время намагничивания сердечника при минимальных регистрируемых сигналах на входе термопреобразователя составляет не более 20 мсек.

Таким образом, в случае последовательного воздействия на исследуемую цепь электромагнитных полей различной частоты сердечник запоминает только значение максимального тока, которое навелось на исследуемую цепь. Токи с меньшей амплитудой не могут изменить установленного потока DF от действия тока с максимальной амплитудой. Такая же картина имеет место при последовательном воздействии однократных импульсов электромагнитного поля. В данном случае энергия импульса на входе термопреобразователя преобразуется в импульс с длительностью >50 мс, а амплитуда тока его пропорциональна энергии импульса. Следует заметить, что испытания на действие высокочастотных полей (например, радиостанций) и грозовых разрядов проводятся отдельно. После каждого вида испытаний производят считывание и по соответствующим градуировочным характеристикам (для тока или энергии) определяют искомый параметр наведенного сигнала.

В прототипе запись и считывание с сердечника производится продольными полями (на окружности тороида). В предложенном устройстве информация записывается продольным полем Н_з (фиг. 1), а считывание поперечным полем, направленным перпендикулярно продольному, что и позволяет производить считывание без отключения термопреобразователя от обмотки записи. Это достигается благодаря размещению обмоток записи и считывания во взаимно перпендикулярных отверстиях сердечника. Такое расположение устраняет непосредственную трансформаторную связь между обмотками записи и считывания. Поэтому при считывании низкоомное сопротивление термопары термопреобразователя не влияет на процесс считывания, и наоборот подключенный блок считывания к обмоткам считывания не оказывает влияние на запись информации, что, как уже отмечалось, значительно упрощает градуировку и расширяет функциональные возможности измерителя.

На фиг. 2 представлен участок магнитного сердечника, где действуют поперечное поле считывания Н_cч и продольное поле записи Н₁₁.

Перед записью информации сердечник устанавливается в исходное состояние (в состояние остаточного насыщения B_r) с помощью подачи импульсов считывания на обмотки 5, 8, которые создают в сердечниках поперечное поле Н_cч. При протекании тока I_т обмотка записи образует продольное поле записи Н₁₁. При этом происходит изменение направления вектора магнитной индукции В_r в направлении продольного поля записи Н₁₁ на некоторый угол (поворот вектора индукции в направлении действия вектора магнитного поля, создаваемого обмоткой записи 4). При использовании сердечника из изотропного магнитного материала со спонтанной прямоугольной петлей гистерезиса величина вектора индукции практически остается равной остаточной индукции насыщения [4] В связи с этим при записи поперечная составляющая уменьшается на величину DB (на фиг. 3 это соответствует ΔΦ), т.е. происходит изменение магнитной индукции в поперечном направлении при действии продольного поля записи. При считывании происходит обратный процесс, т.е. производится поворот вектора индукции на тот же угол a в направлении поперечного поля считывания Н_cч. При этом поперечная составляющая индукции B_┴ увеличивается на величину ΔB, которая является информационным параметром о величине наведенного тока на входе блока записи 1.

Магнитный сердечник выполнен из низкокоэрцитивного материала 79НМ в виде прямоугольной пластины толщиной 3,8 мм. Количество витков каждой обмотки записи 400, а обмоток считывания 220. Термопреобразователь ТП2601А имеет сопротивление нагревателя 4 Ом, термопары 5 Ом. Конструктивные и магнитные параметры первого и второго сердечников одинаковы.

Поскольку отсутствует трансформаторная связь между обмотками записи и считывания, то, в принципе, обмотку записи 7 второго сердечника 6 можно не шунтировать. Необходимость подключения резистора обусловлена тем, что в процессе удара, вибрации магнитный поток сердечника изменяется. При этом величина остаточного изменения потока зависит от величины шунтирующего обмотку резистора. Действительно при ударе на обмотке наводится напряжение, которое создает ток, препятствующий изменению потока от удара. При R=∞ этот эффект отсутствует, а при R 0 наведенный ток от удара значительно компенсирует изменение потока от удара. Поэтому для обеспечения идентичности первого и второго сердечников необходимо подключать к обмоткам записи одинаковые сопротивления (в одном случае сопротивление термопары 5 Ом, в другом - резистор с сопротивлением 5 Ом).

В сравнении с прототипом предложенный измеритель наведенных токов имеет новые свойства:
возможность записи наведенных сигналов при подключенном блоке считывания, что позволяет упростить и сократить время на градуировку за счет исключения многократных отстыковок и подстыковок разъемов, а также расширить функциональные возможности устройства благодаря возможности считывания с заданной частотой и по полученным результатам считывания получить в дискретном виде характер изменения наведенного сигнала во времени;
уменьшение погрешностей, вызванных магнитной аномалией, ударами и вибрацией, в 7 раз за счет введения идентичного компенсирующего сердечника и получения разностного импульса считывания, что позволяет устранить изменение потока ΔΦ(δ) сердечников от указанных дестабилизирующих факторов (см. выражение (2));
уменьшение погрешности считывания от изменения источника постоянного напряжения U блок считывания, т.к. изменение U в равной мере изменяет время считывания с каждого сердечника, а разностный сигнал считывания при этом не изменится (см. выражение (2)).

Таким образом, предлагаемое устройство за счет введения второго, идентичного первому, магнитного сердечника и выполнения сердечников с взаимно перпендикулярным расположением обмоток записи и считывания, а также введения двухканального блока считывания, обеспечивающего получение разностного импульса считывания с сердечников, позволяет по сравнению с прототипом проводить измерения с большей достоверностью. Предлагаемое устройство упрощает и сокращает процесс градуировки, а также путем постоянного опроса считывания состояния магнитного элемента позволяет получить информацию о характере наведенного сигнала во времени за счет записи информации при подключенном блоке.

Устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для построения встроенных устройств контроля наведенных токов в цепях электрических систем и приборов для определения электромагнитной стойкости к воздействию высокочастотных электромагнитных полей, грозовых разрядов и т.п. Сущность изобретения: измеритель наведенных токов содержит блок записи (1), включающий в себя термопреобразователь (2), запоминающие магнитные сердечники (3, 6), на которых размещены обмотки записи (4, 7), обмотки считывания (5, 8), резистор (9), блок считывания (10), включающий в себя генератор одиночных импульсов (11), транзисторы (12, 13), резисторы (14, 15), пороговые устройства (16, 17), ключ (18), измеритель временных интервалов (19) с соответствующими связями между ними. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Измеритель наведенных токов, содержащий термопреобразователь, входные выводы которого являются входом устройства, первый запоминающий магнитный сердечник, на котором размещены первые обмотки записи и считывания, блок считывания, отличающийся тем, что в него введены второй запоминающий магнитный сердечник с вторыми обмотками записи и считывания, резистор, выходные выводы термопреобразователя соединены с первой обмоткой записи, а вторая обмотка записи зашунтирована резистором, первые выводы обмоток считывания соединены между собой и подключены к первому входу блока считывания, а вторые выводы обмоток считывания подключены к второму и третьему входам блока считывания соответственно, причем каждый сердечник имеет три отверстия, первое отверстие выполнено перпендикулярно второму и третьему отверстиям и расположено между ними, в первом отверстии размещена обмотка записи, во втором и третьем отверстиях обмотка считывания. 2. Измеритель по п. 1, отличающийся тем, что блок считывания содержит генератор одиночных импульсов, первый и второй транзисторы, первый и второй резисторы, первое и второе пороговые устройства, ключ и измеритель временных интервалов, вход которого соединен с выходом ключа, выход генератора одиночных импульсов соединен с базами транзисторов, эмиттеры которых через резисторы соединены с отрицательным полюсом источника постоянного напряжения и через первое и второе пороговое устройство с первым и вторым входами ключа соответственно, при этом первый вход блока считывания соединен с положительным полюсом источника постоянного напряжения, а коллекторы транзисторов соединены с вторым и третьим входами блока считывания соответственно.