УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА Российский патент 1998 года по МПК G01R19/20 

Изобретение относится к устройству для измерения тока. Известно устройство для измерения тока, содержащее первый и второй трансформаторы тока, каждый из которых имеет магнитный сердечник, первичную обмотку или проводник и вторичную обмотку, связанную с магнитным сердечником, первичные обмотки или проводники соединены так, чтобы проводить измеряемый ток, вторичные обмотки первого и второго трансформаторов тока имеют равное число витков и соединены последовательно друг за другом и намотаны так, что токи, индуцированные во вторичных обмотках измеряющим током, идут в том же направлении, генератор тока, выход которого подключен ко вторичной обмотке первого трансформатора тока для питания его током, содержащим составляющую тока намагничивания, способную переводить соответствующий магнитный сердечник попеременно в противоположные состояния насыщения, средство управления генератором тока, с помощью составляющей тока намагничивания, средство измерения для измерения тока, протекающего во вторичной обмотке второго трансформатора тока, пропорционального измеряемому току, и выполненное на усилителе, отрицательный вход которого соединен с концом вторичной обмотки второго трансформатора тока, выход - с отрицательным входом этого усилителя через резистор, средства компенсации для компенсации любых изменений потенциала, который вызван составляющей тока намагничивания в общей точке включения последовательно соединенных вторичных обмоток первого и второго трансформаторов тока, выполнены на усилителе, выход которого через последовательно соединенные конденсатор и резистор соединен с общей точкой включения вторичных обмоток первого и второго трансформаторов тока, а также средства смещения, генерируемый потенциал смещения которых подведен к положительному входу усилителя средств компенсации (EP, 0356248).

В устройстве для измерения тока указанного типа желательно разделение составляющей тока намагничивания и составляющей тока, используемой для измерения тока, текущего в первичной обмотке. Кроме того, желательно компенсирование других воздействий, влияющих на измерения, такие как падение напряжения во вторичной обмотке второго измерительного трансформатора тока и колебания напряжений смещения усилителей, используемых в устройстве.

Однако устройство данного типа, как и другие известные средства, не способны обеспечить достаточное разделение или компенсацию и являются чрезвычайно трудными для управления и настройки, что делает их непригодными для серийного производства и для использования в относительно широком диапазоне температур.

В основу изобретения положена задача создать устройство для измерения тока, упомянутого типа, позволяющее получить измеряющий сигнал, свободный от любых остатков составляющей тока намагничивания и любых колебаний из-за нее и, кроме того, позволяют ее компенсировать, автоматически и с минимальной настройкой, другие воздействия, влияющие на измеряющий сигнал.

Эта задача в устройстве согласно изобретению решается за счет того, что отрицательный вход усилителя средств компенсации соединен с общей точкой включения вторичных обмоток, причем средства смещения выполнены так, что генерируемый ими потенциал смещения получен исходя из измеренного сигнала, добавленного к сигналу, полученному из выходного сигнала усилителя средств компенсации, который сначала фильтруется в фильтре нижних частот, образуя цепь отрицательной обратной связи, при этом напряжение, возникающее на резисторе, включенном последовательно с конденсатором средств компенсации, приложено к средству управления генератором тока.

На чертеже приведена упрощенная электрическая схема устройства для измерения тока, согласно изобретению.

На схеме, приведенной на чертеже, позиции 1 и 2 показывают два измерительных трансформатора тока, имеющих соответствующие магнитные сердечники 3 и 4, например тороидальные сердечники, выполненные из материала, имеющего высокую магнитную проницаемость. Эти трансформаторы содержат первичную обмотку, например общую обмотку 26 (или проводники), связанную с двумя сердечниками 3 и 4, проводящую измеряемый ток I_p. Вторичные обмотки каждого из трансформаторов 1, 2 показаны соответственно позициями 5 и 6. Эти обмотки имеют общую точку включения 7 и намотаны так, что первичный ток индуцирует в них токи, которые текут в том же направлении последовательного соединения этих обмоток.

Переменное положительное и отрицательное напряжение приложено к обмотке 5 генератором 8 тока, причем соответствующий ток намагничивает сердечник 3 и способствует продвижению его циклично в противоположные состояния насыщения. Кроме того, измеряемый ток, связанный с током первичной обмотки, обеспечивается генератором 8 тока и налагается на ток намагничивания.

Клемма обмотки 6, которая не подсоединена к общей точке включения 7, соединена с отрицательным входом 9 усилителя 10, выход 11 которого присоединен через резистор 12, имеющий величину R, к тому же входу 9. Положительный вход этого усилителя 10 заземлен.

Вторичные обмотки 5 и 6 имеют одинаковое число витков N_s, причем число витков первичной обмотки N_p. При условиях, которые осуществляются в данном устройстве, в особенности при условии того, что нет части составляющей тока намагничивания, текущего в обмотке 5, которая попадает в обмотку 6, причем напряжение U, появляющееся на выходе 11 усилителя 10, имеет величину:
U = I_p•R•N_p/N_s.

Это напряжение, которое пропорционально току в первичной обмотке, таким образом представляет собой измеряющий сигнал.

Согласно этому примеру выполнения упомянутого устройства общая точка включения вторичных обмоток 5 и 6 подсоединена к отрицательному входу 13 усилителя 14, а выход 15 этого усилителя связан через последовательное соединение конденсатора 16 и резистора 17 с входом 13. Потенциал смещения, как описано ниже, приложен ко второму положительному входу 18 усилителя 14.

Емкостная связь между выходом 15 и входом 13 упомянутого усилителя 14 поддерживает потенциал точки 7 по существу в значении, которое не зависит от колебаний из-за составляющей тока намагничивания. Соответственно составляющая тока намагничивания проходит полностью в части цепи 7, 13, 17 и не входит в обмотку 6. Напряжение, возникающее на резисторе 17, приложено через соединение 19 и средство управления 20 для управления генератором 8 тока. Управление состоит во включении смены знака выходного напряжения упомянутого генератора каждый раз при достижении насыщения в сердечнике 3, другими словами каждый раз, когда падение напряжения на резисторе 17 достигает предопределенных положительных и отрицательных границ.

Потенциал смещения на входе 18 усилителя 14 выводится с одной стороны из выходного сигнала этого усилителя, причем сигнал сначала фильтруется в фильтре нижних частот 21, а затем подводится через цепь резисторов 27, 28 сумматора к входу 18 и с другой стороны от измеряющего сигнала, возникающего на выходе 11 усилителя 10. Этот выходной сигнал добавляется через входной резистор 22 к сигналу усилителя 14. Различные резисторы рассчитываются так, чтобы компенсировать падение напряжения во вторичной обмотке 6 трансформатора 4 при любых колебаниях падения напряжения, производится сразу соответствующее отклонение смещающего потенциала на входе 18. Отрицательная цепь обратной связи усилителя 14, которая действует на входе 18, размеряется так, чтобы избежать того, что выходное напряжение усилителя достигает порога насыщения усилителя. Потенциал смещения на входе 18 также компенсирует напряжения смещения усилителя 10 и усилителя 14.

В случае данного устройства, которое обеспечивает электрическую изоляцию измеряющей цепи, используемой для измерения напряжений, резистор 23 соединен последовательно с первичной обмоткой 26 в первичной цепи трансформаторов 1 и 2. Первичная обмотка имеет в этом исполнении относительно высокое число витков по сравнению со случаем чистого измерения тока. Кроме того, сигнал выводится с выхода генератора 8 и подводится через операционный усилитель 24 и калибровочный резистор 25 инвертора к входу 9 усилителя 10. Различные резисторы рассчитываются так, чтобы воздействие тока, индуцированного в первичной обмотке 26 посредством колебаний напряжения генератора 8, поданного на обмотку 5, компенсируется током противоположного знака, полученного цепями 24, 25 инвертора. Это позволяет устранить влияние ондуляции тока первичной обмотки на измеряющий сигнал на выходе 11 усилителя 10, так как ондуляция первичного тока обуславливается намагниченностью трансформатора 1.

Сущность: устройство для измерения тока предназначено для работы в широком диапазоне температур. Устройство содержит трансформаторы тока (ТрТ) (1,2) с магнитными сердечниками (3,4) и общей обмоткой 26, генератор тока (ГТ)(8), выход которого подключен ко вторичной обмотке (5) первого ТрТ (1), средство (20) управления ГТ(8) с помощью составляющей тока намагничивания, средство (10,11) измерения тока во вторичной обмотке (6) второго ТрТ(2), пропорционального измеряемому току, средства компенсации для компенсации любых изменений потенциала в общей точке (7) включения обмоток (5,6), выполненные на усилителе (14), выход которого через конденсатор (К) (16) и резистор(Р)(17) соединен с общей точкой (7) и отрицательным входом усилителя (14), средства смещения положительного входа усилителя (14), потенциал которого получен исходя из измеренного сигнала добавленного к сигналу, полученному из выходного сигнала усилителя (14), при этом напряжение, возникающее на Р(17), приложено к средству 20. Технический результат: уменьшение остатков составляющей тока намагничивания и любых колебаний из-за нее путем ее компенсации. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для измерения тока, содержащее первый и второй трансформаторы тока, каждый из которых имеет магнитный сердечник, первичную обмотку или проводник и вторичную обмотку, связанную с магнитным сердечником, первичные обмотки или проводники соединены так, чтобы проводить измеряемый ток, вторичные обмотки первого и второго трансформаторов тока имеют равное число витков и соединены последовательно друг за другом и намотаны так, что токи, индуцированные во вторичных обмотках измеряющим током, идут в том же направлении, генератор тока, выход которого подключен к вторичной обмотке первого трансформатора тока для питания его током, содержащим составляющую тока намагничивания, способную переводить соответствующий магнитный сердечник попеременно в противоположные состояния насыщения, средство управления генератором тока с помощью составляющей тока намагничивания, средство измерения для измерения тока, протекающего во вторичной обмотке второго трансформатора тока, пропорционального измеряемому току, выполненное на усилителе, отрицательный вход которого соединен с концом вторичной обмотки второго трансформатора тока, выход - с отрицательным входом этого усилителя через резистор, средства компенсации для компенсации любых изменений потенциала, который вызван составляющей тока намагничивания в общей точке включения последовательно соединенных вторичных обмоток первого и второго трансформаторов тока, выполнены на усилителе, выход которого через последовательно соединенные конденсатор и резистор соединен с общей точкой включения вторичных обмоток первого и второго трансформаторов тока, а также средства смещения, генерируемый потенциал смещения которых подведен к положительному входу усилителя средств компенсации, отличающееся тем, что отрицательный вход усилителя средств компенсации соединен с общей точкой включения вторичных обмоток, причем средства смещения выполнены так, что генерируемый ими потенциал смещения получен, исходя из измерительного сигнала, добавленного к сигналу, полученному из выходного сигнала усилителя средств компенсации, который сначала фильтруется в фильтре нижних частот, образуя цепь отрицательной обратной связи, при этом напряжение, возникающее на резисторе, включенном последовательно с конденсатором средств компенсации, приложено к средству управления генератором тока. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что первичная обмотка соединена в первичную цепь последовательно с резистором и выполнена с большим числом витков, при этом ондуляция средств компенсации обеспечена тем, что сигнал с выхода генератора тока через инвертор и калибровочный резистор подводится к входу усилителя средства измерения так, чтобы воздействие тока, индуцированного в первичных проводнике или обмотках посредством колебаний напряжения генератора тока, поданного на вторичную обмотку первого трансформатора тока, компенсировалось током противоположного знака через инвертор и калибровочный резистор.