УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ БОЛЬШИХ ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ Российский патент 1997 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к измерению больших постоянных токов.

Известны измерительные преобразователи, предназначенные для измерения постоянных токов (см. Писаревский Э.А. Электрические измерения и приборы. М. Энергия, 1970).

Основными недостатками известных решений являются низкая точность измерения и низкий предел измеряемых токов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения постоянного тока (см. а.с. N 851272, кл.G 01 R 19/00, 1981), которое содержит магнитопровод с обмоткой, импульсный генератор, индикатор размагничивания магнитопровода, блок выборки-хранения и датчик импульсного тока.

Прототип имеет следующие недостатки. Возникает погрешность из-за влияния полей рассеяния вследствие значительной протяженности магнитопровода при измерении больших токов, что приводит к неравномерности намагничивания магнитопровода. Испытания подобного устройства показали, что в итоге некоторые участки магнитопровода могут даже насыщаться. Это приводит к появлению погрешности от нелинейности материала магнитопровода. Кроме этого в прототипе имеется погрешность, связанная с нелинейной зависимостью между током, протекающим по намагничивающей обмотке, и создаваемым им магнитным потоком (фиг. 3). Другими словами, индикатор размагничивания магнитопровода реагирует на разность магнитных индукций от измеряемого и намагничивающего токов, т.е. на разность магнитных потоков, но информация о магнитном потоке снимается в виде тока, протекающего через датчик импульсного тока, а поскольку между этими величинами имеется нелинейная зависимость, то будет иметь место погрешность, которая вызвана также нелинейностью материала магнитопровода. Также необходимо отметить возникновение погрешности в случае наличия пульсаций измеряемого тока.

Последняя погрешность имеет место из-за того, что прототип реагирует на различные значения потока от измеряемого тока (точки 1 и 2 на фиг. 4) при соседних импульсах компенсирующего тока, например пилообразной формы, протекающего по намагничивающей обмотке. Эту погрешность можно устранить, если устройство будет реагировать на среднее значение потока Φ_oр
Цель изобретения повышение точности измерения тока путем снижения погрешности от нелинейности материала магнитопровода измерительного элемента и погрешности, обусловленной пульсациями измеряемого тока.

Для достижения поставленной цели устройство для бесконтактного измерения больших постоянных токов, содержащее расположенный вокруг системы шин с измеряемым током измерительный канал, включающий в себя измерительный элемент, состоящий из магнитопровода, на котором расположены намагничивающая и первая дополнительная обмотки, причем концы намагничивающей обмотки подключены к импульсному генератору; индикатор размагничивания магнитопровода, выход которого через формирователь импульсов подключен к первому входу блока выборки-хранения, выход которого является выходом измерительного элемента; изменено таким образом, что измерительный канал дополнен интегратором и немагнитной рамкой, на которой на равных промежутках размещены n измерительных элементов, в каждом из которых магнитопровод имеет немагнитные зазоры, расположенные в плоскостях, параллельных и перпендикулярных линиям магнитной индукции, создаваемой измеряемым током; в зазоре, расположенном в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции, размещен индикатор размагничивания магнитопровода, представляющий собой датчик Холла, зажимы входной цепи которого подключены к источнику стабильного тока, а зажимы выходной цепи к входу формирователя импульсов; первая дополнительная обмотка включена между входом интегратора и землей, а выход интегратора соединен с вторым входом блока выборки-хранения; а все выходы блоков выборки-хранения соединены с входами сумматора, выход которого является выходом устройства.

Совокупность указанных общих существенных признаков дополняют, развивают и уточняют следующие частные отличительные признаки, которые направлены на решение той же задачи: в устройство введены вторая и третья дополнительные обмотки, расположенные на магнитопроводе, и усилитель напряжения, причем вход усилителя соединен с выводом второй дополнительной обмотки, второй вывод которой заземлен, а выход усилителя через третью дополнительную обмотку соединен с земляной шиной.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, на которых изображено: фиг. 1 схема размещения измерительных элементов; фиг. 2 - функциональная схема измерительного элемента; фиг. 3 зависимость между магнитным потоком и током; фиг. 4 поясняет возникновение погрешности при наличии пульсаций измеряемого тока; фиг. 5 магнитопровод заявляемого устройства; фиг. 6 пример выполнения блока выборки-хранения; фиг. 7 пример выполнения формирователя импульсов; фиг. 8 поясняет работу устройства с фильтром переменной составляющей магнитного потока.

Согласно первому пункту формулы изобретения, вокруг шин с измеряемым током 1 размещены n измерительных элементов 2, образующих контур интегрирования (фиг. 1). Функциональная схема измерительного элемента (фиг. 2) содержит магнитопровод 3 с поперечными 4 и продольными 5 зазорами. В поперечном зазоре 4 размещен индикатор 6 размагничивания магнитопровода, представляющий собой датчик Холла. Зажимы входной цепи датчика подключены к источнику стабильного тока 7. Один вывод датчика соединен с землей, а другой подключен к входу формирователя импульсов 8, выход которого подключен к первому входу устройства блока выборки-хранения 9. Импульсный генератор 10 соединен с намагничивающей обмоткой 11. Второй зажим обмотки заземлен. Первая дополнительная обмотка 12 расположена на магнитопроводе и включена между земляной шиной и интегратором напряжения 13, выход которого подключен к второму входу блока выборки-хранения 9, выход которого соединен с входом сумматора 14, являющимся общим для всех измерительных элементов.

Согласно второму пункту формулы изобретения вторая 15 и третья 17 дополнительные обмотки расположены на магнитопроводе 3. Обмотка 15 подсоединена к входу усилителя напряжения 16, выход которого через обмотку 17 заземлен.

Устройство работает следующим образом. Измеряемый ток I пакета шин 1 определяется по закону полного тока выражением:

где B_τ тангенциальная составляющая магнитной индукции в точках k размещения измерительных элементов; n число измерительных элементов; K - постоянный коэффициент пропорциональности, обусловленный тем, что магнитная индукция измеряется лишь в некоторых точках вокруг шин.

Измерительные элементы работают следующим образом.

Для концентрации магнитного потока в точках измерения служит магнитопровод 3. Переменный ток генератора 10, протекая по обмотке 11, создает в магнитопроводе 4 магнитный поток F_p Этот поток в течение одного полупериода направлен в части магнитопровода с датчиком Холла навстречу потоку Φ_o создаваемому измеряемым током I. В части 2 магнитопровода, имеющей сопротивление R_м2, эти потоки имеют одинаковые направления (фиг. 5а). Из-за нелинейности материала магнитопровода сопротивление R_м2 (фиг. 5б) изменится, но благодаря воздушным зазорам 5 в плоскости, параллельной линиям магнитной индукции и имеющих сопротивления R_мв (фиг. 5б), поток Φ_o1 через рабочую часть 1 магнитопровода останется без изменения. Таким образом устраняется погрешность прототипа из-за насыщения участков магнитопровода.

Для устранения влияния нелинейной зависимости между током, протекающим по обмотке 11, и создаваемым им потоком на магнитопровод 3 наматывается первая дополнительная обмотка 12. Рассмотрим вначале случай, когда измеряемый ток не содержит высокочастотных пульсаций. В этом случае ЭДС на обмотке 11 будет наводиться только переменной составляющей магнитного потока, т.е. переменным потоком Φ_p от тока, протекающего по обмотке 11:
e = W(dΦ_p/dt). (2),
где W количество витков обмотки 12.

Легко выполнить условие большого входного сопротивления интегратора 13. В этом случае напряжение на входе интегратора равно ЭДС (2). После интегрирования на входе интегратора 13 напряжение
u_и = -K_иW∫edt = K_иW∫(dΦ_p/dt)dt = K_иWΦ_p, (3)
где K_и коэффициент пропорциональности, определяемый параметрами интегратора. Таким образом напряжение u_и прямо пропорционально размагничивающему потоку. Это напряжение подается на блок 9, который запоминает значение напряжения u_и в момент прихода управляющего импульса с формирователя 8, т.е. в момент равенства потоков Φ_o от измеряемого тока и потока Φ_p:
u_и = WK_иΦ_p = WK_иΦ_o при Φ_p = Φ_o. (4)
Таким образом это напряжение, как видно из (4), не зависит от параметров магнитопровода (например, магнитной проницаемости), что говорит о возможности снижения нелинейных погрешностей по сравнению с прототипом.

Этот вывод легко объяснить и с физической точки зрения. Параметры магнитопровода одинаково влияют как на поток Φ_o так и на поток Φ_p а поскольку предлагаемое решение позволяет получить информацию о потоке Φ_p который в рабочей части магнитопровода компенсирует поток Φ_o то значение потока Φ_p или сигнала, ему пропорционального (например, напряжения u_и), будет содержать информацию о потоке Φ_o в момент их равенства, что фиксируется с помощью датчика Холла.

Необходимо отметить, что поток Φ_p не должен содержать постоянной составляющей, что легко выполнимо.

Блок выборки-хранения 9 может быть выполнен по аналогичной прототипу схеме, которая приведена на фиг. 6, и работает следующим образом. При приходе кратковременного управляющего импульса с формирователя 8 на первый вход Вх. 1 устройства 9 ключ Кл открывается и напряжение с выхода интегратора 13, подаваемое на второй вход Вх.2 устройства 9, запоминается на конденсаторе C. Это напряжение подается на повторитель П, выход которого является выходом устройства 9.

Формирователь импульсов 8 может быть выполнен на основе компаратора К и одновибратора ОД (фиг. 7а). При размагничивании магнитопровода по сигналу с датчика Холла компаратор перебрасывается в противоположное состояние, что приводит к запуску одновибратора (ждущего мультивибратора), который вырабатывает короткий импульс (фиг. 7б).

При наличии пульсаций измеряемого тока, возникающих вследствие выпрямления, желательно устранить пульсации магнитного потока Φ_o Для этого в устройство введены обмотки 15 и 17 и усилитель 16. Эти элементы и магнитопровод образуют так называемый компенсационный трансформатор (КТ), принцип работы которого известен (см. например, Л.Б. Лейтман. Нормирующие измерительные преобразователи электрических сигналов. М. Энергоатомиздат, 1986). Здесь он используется в новом качестве в качестве фильтра переменной составляющей магнитного потока.

За счет большого коэффициента усиления усилителя 16 и отрицательной обратной связи происходит компенсация переменной составляющей магнитного потока магнитопровода 4. Причем из-за большой разницы по частоте между пульсациями тока (сотни герц) и пилообразного напряжения генератора 10 (единицы герц) легко выбрать параметры КТ так, чтобы происходила компенсация только высокочастотных пульсаций магнитного потока, а влияние на поток Φ_p было минимальным. Причем, даже если это влияние выходного сигнала КТ на поток Φ_p и будет иметь место, то в предлагаемом решении это не приведет к погрешностям. Например, поток Φ_p2 уменьшится по сравнению с Φ_p1, когда сигнал на выходе КТ отсутствует (фиг. 7). Это приведет лишь к тому, что равенство Φ_p = Φ_o будет иметь место в точке t₂, а не в точке t₁, но напряжение на выходе измерительного элемента в обоих случаях будет одним и тем же.

При большом входном сопротивлении усилителя 16 в качестве обмотки 15 можно использовать обмотку 12.

Согласно данным приведенных экспериментов заявляемое изобретение может использоваться в народном хозяйстве и по сравнению с прототипом позволит повысить точность измерения больших постоянных токов. В частности, оно может быть использовано на предприятиях химической и металлургической промышленности, где повышение точности измерения тока способствует улучшению технологического процесса.

Использование: для измерения больших постоянных токов, в частности, в металлургической и химической промышленности. Сущность: с целью повышения точности измерения устройство содержит немагнитную рамку с n измерительными элементами, а каждый измерительный элемент содержит немагнитные зазоры в магнитопроводе, в одном из них расположен индикатор размагничивания магнитопровода (датчик Холла), который через формирователь импульсов подключен к первому входу блока выборки-хранения, к второму входу которого подключен выход интегратора, который подключен к выходу первой дополнительной обмотки и дает информацию о размагничивающем потоке. Выход блока выборки-хранения является выходом измерительного элемента и подключен к сумматору, который суммирует информацию от всех измерительных элементов. 1 з.п. ф-лы., 8 ил.

1. Устройство для бесконтактного измерения больших постоянных токов, содержащее расположенный вокруг системы шин с измеряемым током измерительный канал, включающий в себя измерительный элемент, состоящий из магнитопроводов, на котором расположены намагничивающая и первая дополнительная обмотки, причем концы намагничивающей обмотки подключены к импульсному генератору, индикатор размагничивания магнитопровода, выход которого через формирователь импульсов подключен к первому входу блока выборки-хранения, выход которого является выходом измерительного элемента, отличающееся тем, что измерительный канал дополнен интегратором и немагнитной рамкой, на которой на равных промежутках размещены n измерительных элементов, в каждом из которых магнитопровод имеет немагнитные зазоры, расположенные в плоскостях, параллельных и перпендикулярных линиях магнитной индукции, создаваемой измеряемым током, в зазоре, расположенном в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции, размещен индикатор размагничивания магнитопровода, представляющий собой датчик Холла, зажимы входной цепи которого подключены к источнику стабильного тока, а зажимы выходной цепи к входу формирователя импульсов, первая дополнительная обмотка включена между входом интегратора и землей, а выход интегратора соединен с вторым входом блока выборки-хранения, а все выходы блоков выборки-хранения соединены с входами сумматора, выход которого является выходом устройства. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в него введены вторая и третья дополнительные обмотки, расположенные на магнитопроводе, и усилитель напряжения, причем вход усилителя соединен с выводом второй дополнительной обмотки, второй вывод которого заземлен, а выход усилителя через третью дополнительную обмотку соединен с земляной шиной.