СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ БОЛЬШИХ ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ Российский патент 1998 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к измерениям больших постоянных токов, используемых в химической и металлургической промышленности.

Заявляемое решение направлено на решение задачи, заключающейся в упрощении операции градуировки устройств для измерения больших постоянных токов, увеличению ее точности и универсальности.

Одним из самых известных и широко используемых в различных областях измерительной техники способов градуировки устройств является сравнение показаний градуируемого прибора с показаниями образцового, имеющего более высокий класс точности. Применительно к измерениям больших постоянных токов этот способ имеет ряд недостатков, обусловленных отсутствием в нашей стране сети специальных лабораторий и образцовых средств измерения постоянных токов свыше 100 кА. Использующиеся же в качестве образцовых мер шунты применяются только при токах до нескольких десятков килоампер из-за потерь мощности в шунте.

Второй способ градуировки заключается в том, что создается вспомогательное поле с помощью катушек, наматываемых на преобразователь, по которым пропускает ток в k раз меньше измеряемого тока (k - число витков вспомогательных катушек) [см. Разин Г.И., Щелкин А.П. Бесконтактное измерение электрических токов. М. : Атомиздат, 1974, 1974, стр. 105]. Недостатком этого способа является возникновение погрешностей из-за отличия топографий поля катушек и поля в реальных условиях при протекании измеряемого тока по пакету шин.

Третий известный способ градуировки основан на расчете значений магнитной индукции от измеряемого тока в месте установки преобразований магнитной индукции (измерительных элементов) [см. там же]. При этом сам измерительный элемент градуируется отдельно с помощью источника (как правило - однородного) магнитного поля. Такой способ позволяет градуировать приборы, предназначенные для измерения больших токов свыше 100 кА. Недостатками этого способа являются:
а) необходимость точного измерения расстояний от шин до измерительного элемента и размеров самих шин, что, в общем случае, не всегда возможно, поскольку шины могут иметь неровности и форму сечения, отличную от прямоугольной, принимаемой при расчетах, что приводит к снижению точности градуирования и к тому, что откалиброванное устройство можно использовать лишь на одном месте;
б) сложность расчетов, т.к. токопроводы могут иметь различные количества шин и различные геометрические размеры.

Таким образом, указанные факторы приводят: к сложности проведения операции градуировки измерительных преобразователей больших постоянных токов; к снижению ее точности; к уменьшению ее универсальности, т.е. невозможности использования устройства, откалиброванного при одном шинопроводе, для измерения тока на другом объекте.

Целью изобретения является снижение трудоемкости расчетов при проведении градуировки измерителей больших постоянных токов, повышение ее точности и универсальности.

Указанная цель достигается тем, что в способе градуировки измерителей больших постоянных токов, основанном на расчете значений магнитной индукции, создаваемой измеряемым током, в месте установки измерительного элемента около пакета шин и отдельной поверке этого элемента с помощью источника однородного магнитного поля, количество измерительных элементов выбирают равным n, причем число n-четное, но не кратное четырем, и размещают их при градуировке равномерно вокруг пакета шин по окружности, а расчет для каждого элемента проводят для какого-либо выбранного значения расчетного измеряемого тока в предположении, что этот ток протекает по линейному проводнику, на основании чего определяют коэффициент пропорциональности между суммарной расчетной индукцией n элементов и расчетным током, а коэффициент преобразования любого элемента находят как произведение коэффициента пропорциональности и частного от деления отклика этого элемента к сумме откликов всех n элементов, причем последние две величины находят путем измерения при протекании неизвестного тока по пакету шин.

Совокупность указанных общих существенных признаков дополняют частные отличительные признаки, направленные на решение той же, связанной с целью изобретения задачи: при погрешности поверки элементов порядка 0,1% радиус окружности расположения измерительных элементов выбирают из условия, чтобы он был равен или превышал длину большей стороны пакета шин, а количество измерительных элементов n выбирают равным 10, при погрешности же поверки элементов порядка 0,5% число n выбирают равным 6 при тех же размерах окружности расположения элементов.

Существенным отличительным признаком заявляемого решения является замена при расчете реального токопровода линейным проводником, т.е. проводником, площадь поперечного сечения которого стянута в точку. Причем это можно сделать, при использовании других признаков предлагаемого решения, для различных размеров, форм общего поперечного сечения шинопровода, и для различных количеств шин в пакете.

Это приводит к решению задач, указанных в цели изобретения: существенному упрощению расчетов при проведении операции градуировки, поскольку провести расчет значений магнитной индукции в точках расположения элементов для линейного проводника гораздо проще, чем для реального шинопровода; повышению универсальности градуировки, т. к. при выполнении отличительных признаков изобретения ее результаты можно использовать для измерения тока, протекающего по различным шинопроводам; а также к повышению точности, поскольку исключается необходимость измерения размеров шин и учета их форм сечения.

Обоснование возможности использования предлагаемого изобретения сделано на основании детального анализа распределения индукции магнитного поля вокруг шин с током.

По имеющимся у автора сведениям признаки, характеризующие сущность предлагаемого решения, не известны из современного уровня техники, поскольку исследований зависимости погрешностей измерения тока от формы и размеров шинопроводов при использовании малого числа измерительных элементов в литературе не обнаружено, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

На наш взгляд сущность заявляемого изобретения не следует для специалистов явным образом из известного уровня техники, поскольку считается, что заменить реальный токопровод линейным проводником для проведения операции градуировки измерителей больших постоянных токов невозможно, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого решения критерию "изобретательский уровень".

Признаки предлагаемого решения могут многократно использоваться в измерительной технике при измерениях больших токов с получением технического результата, отмеченного в цели изобретения, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, представленными на фиг. 1-4. На них изображены точки измерения магнитной индукции или напряженности (измерительные элементы) 1, шинопроводы (пакеты шин) 2, контур интегрирования 3.

Предлагаемый способ градуировки измерителей больших постоянных токов может быть реализован следующим образом. В качестве измерительных элементов магнитной индукции 1 (фиг. 1) могут использоваться, например, преобразователи на основе датчиков Холла. Эти элементы поверяются с помощью вспомогательного источника магнитного поля, например, на основе линейных катушек индуктивности. Далее элементы располагаются вокруг реального шинопровода 2, образуя контур интегрирования 3. Для решения вышеуказанных проблем предлагается расположить n элементов вокруг шинопровода с током I равномерно по окружности с радиусом R, равным или превышающим длину l большей стороны пакета шин (фиг.2). Шинопровод может иметь различные размеры и форму общего поперечного сечения (квадратную, прямоугольную). Для получения информации о токе производится суммирование откликов элементов так, что выходной сигнал пропорционален току I

где
B_τi- - касательная составляющая магнитной индукции в точке i расположения элемента;
n - количество измерительных элементов;
k - коэффициент пропорциональности.

В уравнение (1) левая часть известна, поскольку измерительные элементы проверены и по их выходным откликам можно найти сумму индукций в точках их расположения. Но в правой части обе величины неизвестны. Определение общего коэффициента пропорциональности является также задачей градуировки.

Для его нахождения предлагается заменить мысленно реальный шинопровод линейным проводником, т.е. проводником, поперечное сечение которого стянуто в точку (фиг. 3), и провести расчет индукций в точках расположения элементов, задавшись каким-либо значением тока I' в проводнике. Это выполнить очень легко, поскольку

где
μ_o=4π•10^-7 Гн/м - магнитная постоянная,
Вращение (2) записано с учетом того, что для воздуха и неферромагнитного материала шинопровода относительная магнитная проницаемость μ=1.
Индукции во всех точках контура при протекании тока I' по линейному проводнику (он расположен в центре контура) равны, поэтому суммарная индукция
,
откуда с учетом (2) находим коэффициент пропорциональности:

Проведенный автором детальный анализ методических погрешностей измерения больших токов при использовании ограниченного числа элементов позволяет утверждать, что при выбранных параметрах контура интегрирования коэффициенты пропорциональности в случаях (1) и (3) с малой погрешностью соответствуют друг другу
k=k'.

Таким образом в уравнении (1) осталось одно неизвестное (измеряемый ток I, т. е. по суммарному показанию элементов B_Σ, с учетом (4) и (5), можно судить о нем

Далее можно определить коэффициент преобразования i-го элемента, который равен коэффициенту пропорциональности между измеряемым током и сигналом B_τi i-го элемента

оставив для целей измерения тока требуемое число элементов (вплоть до одного).

Для более точного расчета, если это необходимо, можно учесть размеры измерительного элемента согласно фиг. 4. В этом случае формула (2) принимает вид

Легко показать, что формулой (2') целесообразно пользоваться лишь при (R₂-R₁)>0,1R. При измерениях больших постоянных токов свыше 100 кА соотношение размеров контура и элемента таковы, что формула (2) дает точные результаты если расположить элементы таким образом, чтобы выполнялось условие
(R₁+R₂)/2=R.

Вышеизложенное говорит о том что, хотя индукции в отдельных точках отличаются, суммарная индукция мало зависит от размеров и формы сечения пакета шин. Это вывод сделан на основе анализа методических погрешностей измерений больших постоянных токов на основе закона полного тока в дискретной форме (когда используется ограниченное число точек измерения магнитной индукции) при различных формах контура интегрирования и при различных размерах и формах поперечного сечения пакета шин. Эти погрешности определялись относительно линейного проводника. Установлено, что круглая форма контура наименее восприимчива к изменениям распределения тока внутри контура. Число элементов и размеры контура при градуировке выбраны из следующих соображений. Если погрешность поверки элементов равна δ, то методическая погрешность измерения ε_ф (погрешность фирмы), возникающая от использования ограниченного числа n измерительных элементов, должна быть меньше погрешности поверки
δ>ε_ф. (9)
Погрешность ε_ф уменьшается при увеличении числа n и радиуса R. Но с возрастанием R будет увеличиваться инструментальная погрешность при практической реализации способа из-за снижения чувствительности элементов. Также анализ показал, что погрешности зависят от четности или нечетности количества элементов. Кроме этого, в первом случае наблюдается зависимость от того является ли число n кратным или не кратным четырем. Лучшие результаты получаются в последнем случае. В итоге установлено, что минимальные значения n и R, при которых обеспечивается условие (9) для значений погрешности δ= = 0,1% (погрешность измерения больших постоянных токов 0,1-0,2% является практически необходимой) и δ= = 0,5%, равны: n=6, и n=10, а R=i, где l - длина большей стороны шинопровода (пакета шин). Более подробный анализ погрешностей предлагаемого способа градуировки приведен в приложении к заявке. Он показал, что возможно обеспечение точности градуировки на уровне 2δ.
Как показали результаты исследований, предлагаемый способ позволит существенно облегчить градуировку и поверку устройств для измерения больших постоянных токов без использования специальных испытательных стендов. При этом точность градуировки по сравнению с прототипом повышается вследствие того, что не нужно проводить измерений параметров шинопровода и учитывать их при расчетах. Если есть необходимость, то предлагаемое решение позволит применять устройства для измерения больших постоянных токов при размерах и форме сечения шинопровода, отличных от размеров и формы сечения шинопровода, используемого при их градуировке. Это повышает универсальность градуировки по сравнению с прототипом.

Таким образом, заявляемое решение по сравнению с прототипом обладает следующими преимуществами:
- снижается трудоемкость расчетов при проведении градуировки измерителей больших постоянных токов;
- повышается точность градуировки и ее универсальность.

Заявляемое изобретение "Способ градуировки измерителей больших постоянных токов" представляет значительный интерес для народного хозяйства, т.к. полученные результаты позволяют наметить новый путь совершенствования системы метрологического обеспечения измерений больших постоянных токов в нашей стране, который предполагает в некоторых случаях исключение необходимости использования специальных поверочно-градуировочных стендов и лабораторий при проведении операций градуировки и настройки измерительных преобразователей БПТ, что является очень важным, поскольку состояние системы метрологического обеспечения далеко даже от удовлетворительного, в частности из-за отсутствия по ряду причин сети таких лабораторий, что сильно усложняет проведение указанных операций. Измерительные элементы можно поверять и градуировать с помощью обычного лабораторного оборудования, например, с использованием источников магнитного поля на основе линейных катушек индуктивности.

Заявляемое изобретение не окажет отрицательного влияния на состояние окружающей среды.

Изобретение можно использовать в области электрических измерений, в частности при измерениях больших постоянных токов, используемых в химической и металлургической промышленности. Для получения технического результата, заключающегося в снижении трудоемкости расчетов при проведении градуировки измерителей больших постоянных токов, повышения ее точности и универсальности, предлагается использовать измерительные элементы, расположив их вокруг шинопровода по окружности, а при расчете магнитной индукции в месте установки измерительного элемента предлагается реальный шинопровод заменить линейным проводником, сечение которого стянуто в точку. При этом число выбирается четным, но не кратным четырем. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ градуировки измерителей больших постоянных токов, основанный на расчете значений магнитной индукции, создаваемой измеряемым током, в месте установки измерительного элемента около пакета шин и отдельной поверке этого элемента с помощью источника однородного магнитного поля, отличающийся тем, что количество измерительных элементов выбирают равным n, причем число n - четное, но не кратное четырем, и размещают их при градуировке равномерно вокруг пакета шин по окружности, а расчет для каждого элемента проводят для какого-либо выбранного значения расчетного измеряемого тока в предположении, что этот ток протекает по линейному проводнику, на основании чего определяют коэффициент пропорциональности между суммарной расчетной индукцией n элементов и расчетным током, а коэффициент преобразования любого элемента находят как произведение коэффициента пропорциональности и частного отделения отклика этого элемента к сумме откликов всех n элементов, причем последние две величины находят путем измерения при протекании неизвестного тока по пакету шин. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при погрешности поверки элементов порядка 0,1% радиус окружности расположения измерительных элементов выбирают из условия, чтобы он был равен или превышал длину большей стороны пакета шин, а количество измерительных элементов n выбирают равным 10, при погрешности же проверки элементов порядка 0,5% число n выбирают равным 6 при тех же размерах окружности расположения элементов.