ПЕРЕНОСНОЙ ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ БОЛЬШИХ ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ Российский патент 1999 года по МПК G01R19/255 

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к измерениям больших постоянных токов без разрыва электрической цепи, и может быть использовано при периодическом или эпизодическом контроле режимов электрических цепей больших постоянных токов.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в обеспечении периодической поверки стационарных измерительных систем токов свыше 100 кА, имеющих класс точности 0,2 и ниже, без демонтажа этих систем.

Авторам не известны аналоги, которые могли быть использованы при решении этой задачи.

Известен патент на переносной измеритель токов N 2006043 /Зыкин Ф.А.; Дивеев А. И. ; Казаков М.К.; Чистякова Т.О. (Бюл. N 1, 15.01.94.), который предполагалось использовать для измерений постоянных токов до 50 кА, и известна попытка использования этого изобретения на токи 150 кА научно-производственным концерном "Параметр" (г. Ульяновск).

Изготовленный образец был испытан в Уральском НИИ метрологии и использован для поверки изготовленных стационарных измерительных систем постоянных токов на Волгоградском и Каменск-Уральском алюминиевых заводах.

Испытания показали, что максимальная относительная погрешность устройства не превышала 0,07% (свидетельство о метрологической аттестации прилагается). Однако этот аналог не утвержден таким классом по причинам, указанным ниже.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является указанный аналог. У прототипа и заявляемого изобретения имеются следующие сходные существенные признаки. В прототипе и в заявляемом устройстве используется пояс Роговского на твердой основе и кнопка сброса информации. Обмотка пояса Роговского выдает информацию о величине постоянного тока в виде ЭДС в процессе охвата токоведущих шин поясом Роговского или его выносе, выходной сигнал пояса интегрируется, и выходное напряжение интегратора, пропорциональное измеряемому току, является информативным сигналом.

Следует отметить, что при плотной, равномерной намотке пояса Роговского и малых размерах его сечения по сравнению с размерами токопровода и расстоянием от токопровода до пояса взаимная индуктивность M(t) не будет зависеть от длины и конфигурации пояса.

Это вытекает из следующих рассуждений. Потокосцепление пояса складывается из потоков, пронизывающих каждый виток. Для k^го витка магнитный поток определится выражением
Ф_k= μ₀H_kS cosα, (1)
где H_k - напряженность магнитного поля на плоскости k^го витка;
S - площадь сечения витка;
α - угол между векторами
μ₀ - магнитная постоянная.

При плотности намотки W₁ (число витков, приходящихся на единицу длины) потокосцепление всех витков пояса охватывающего токопровод определится уравнением

где по закону полного тока

(I - измеряемый ток), откуда
(3)
В выражении (2) l - длина пояса. Таким образом, M_max зависит только от сечения пояса и плотности его намотки.

Как показали исследования и результаты эксплуатации, недостатками прототипа является снижение точности измерения и предела измеряемых токов вследствие следующих причин.

По принципу действия прототипа в интеграторе, входящем в состав прототипа, необходимо использовать конденсатор большой емкости (несколько мкФ) при измерении токов выше 100 кА, что затрудняет применение прецизионных конденсаторов. Увеличение емкости конденсатора связано с необходимостью увеличения постоянной времени интегратора из-за возрастания времени измерения вследствие значительных размеров токопровода, а следовательно, и пояса.

Кроме этого, в прототипе погрешности возникают из-за дрейфа нуля операционного усилителя, входящего в состав интегратора, что также в значительной степени сказывается при измерениях токов свыше 100 кА по вышеупомянутым причинам.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей в направлении увеличения предела измеряемых токов и увеличения точности измерения, что позволит осуществлять поверку стационарных измерительных установок на рабочих местах без их демонтажа и транспортировки в специальные метрологические лаборатории, уменьшит трудоемкость поверки этих измерительных установок, что будет способствовать улучшению технологического процесса.

Необходимо отметить, что решаемые задачи очень важны для совершенствования системы метрологического обеспечения измерений больших постоянных токов, поскольку состояние этой системы в нашей стране далеко даже от удовлетворительного, в частности, из-за отсутствия сети специальных поверочных лабораторий, что существенно усложняет проведение поверок.

Учитывая также особенность цепей большого тока - непрерывность режима энергопитания, что затрудняет демонтаж измерительных установок, можно понять важность разработки переносных прецизионных измерителей больших токов.

Для достижения поставленной цели заявляемое изобретение "Переносной цифровой измеритель больших постоянных токов" содержит пояс Роговского на разъемном неферромагнитном каркасе, саморазмыкающуюся кнопку сброса показаний, масштабный усилитель, цифровой интегратор, дешифратор и цифровой индикатор. Один зажим пояса Роговского соединен с нулевой шиной, второй - подключен ко входу масштабного усилителя. Выход масштабного усилителя соединен со входом цифрового интегратора, выход которого через дешифратор подключен ко входу цифрового индикатора.

Совокупность указанных общих существенных признаков развиваются дополнительными признаками, изложенными в п. 2 формулы изобретения, которые уточняют структуру цифрового интегратора. Он содержит аналоговый интегратор, аналоговый инвертор, тактовый генератор, делитель частоты, счетчик импульсов, два компаратора, семь электронных ключей, два логических инвертора.

Выход масштабного усилителя подключен к первому компаратору, который управляет ключами на входе счетчика и на инвертирующем входе второго компаратора. Выход масштабного усилителя также подключен ко входу аналогового инвертора и через первый ключ к инвертирующему входу второго компаратора. Выход первого компаратора подключен к управлявшему входу первого ключа и к первому управляющему входу пятого ключа на вычитающем входе счетчика импульсов.

Выход первого компаратора через логический инвертор соединен с управлявшим входом второго ключа в цепи, соединяющей выход аналогового инвертора и инвертирующий вход второго компаратора, и с первым управляющим входом пятого ключа на суммирующем входе счетчика импульсов. Выход второго компаратора соединен со вторым и первым управляющими входами соответственно пятого и четвертого ключей на входе счетчика импульсов.

Вход аналогового интегратора через шестой ключ соединен с положительным выводом стабильного источника питания. Выход тактового генератора через третий ключ, управляющий вход которого соединен с выходом делителя частоты, подключен через четвертый и пятый кличи ко входу счетчика. Вход делителя частоты соединен с выходом тактового генератора, а его выход - с управляющим входом шестого ключа и через логический инвертор - с управляющим входом седьмого ключа в обратной связи аналогового интегратора. Положительный вывод источника питания через саморазмыкающуюся кнопку подсоединен к зажиму сброса информации счетчика импульсов.

По отношению к прототипу у заявляемого изобретения имеются следующие отличительные признаки. Обмотка пояса Роговского подключается к масштабному усилителю, который подсоединяется ко входу цифрового интегратора, заменяющего аналоговый интегратор прототипа. При этом достигается исключение погрешностей измерителя, вызванных дрейфом нуля операционного усилителя, как это имеет место в прототипе. Это позволяет неограниченно увеличить время измерения, что необходимо при измерениях токов свыше 100 кА.

Частота тактового генератора влияет на точность работы цифрового интегратора, поэтому она во многом определяет точность работы измерителя в целом: чем выше частота, тем меньше методическая погрешность интегрирования. Как показали расчеты, методическая погрешность при частотах тактового генератора f_тг = 100 кГц и делителя частоты f_дч = 200 Гц не превышает 0,07% при длительности измерения t₁ = 2 сек, а при f_тг = 500 кГц (значения f_тг и t₁ те же) погрешность не превышает 0,006%. Таким образом оптимальным выбором частот тактового генератора и делителя частоты методическая погрешность предлагаемого устройства может быть снижена до весьма малых значений. Кроме этого, по характеру эта погрешность является систематической и при необходимости устраняется при градуировке устройства.

По имеющимся у авторов сведениям совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

По мнению авторов сущность заявляемого изобретения не следует для специалистов явным образом из известного уровня техники, так как из него не выявляется вышеуказанное влияние на получаемый технический результат - новое свойство объекта - совокупности признаков, которые отличают от прототипа заявляемое изобретение, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "изобретательский уровень".

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, в принципе может быть многократно использована при измерениях больших постоянных токов свыше 100 кА с высокой точностью без разрыва и отключения цепи измерения, что обуславливает достижение поставленной цели - расширение функциональных возможностей в направлении увеличения предела измеряемых токов и увеличение точности измерения, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Сущность изобретения поясняется графическими материалами на которых изображено: на фиг. 1 - структурная схема устройства; на фиг. 2 - каркас пояса Роговского, охватывающий пакет шин с измеряемым током; на фаг. 3а - зависимости выходного напряжения масштабного усилителя u(t) и выходного напряжения аналогового интегратора uuвых

(t); на фиг. 3б - сигналы, поступающие с выхода делителя частоты; на фиг. 3в - сигналы, поступающие на вход счетчика импульсов от тактового генератора. Интервал времени θ для наглядности показан в большем масштабе.

Заявляемое изобретение согласно первому пункту формулы изобретения содержит пояс Роговского с обмоткой 1 (фиг. 1) на разъемном неферромагнитном каркасе 2, некоторые стороны которого соединены шарнирно (фиг. 2). Один зажим обмотка пояса присоединяется к нулевой шине, второй зажим является выходом пояса и присоединяется к масштабному усилителю 3. Выход масштабного усилителя 3 подключается ко входу цифрового интегратора 4, выход которого через дешифратор 5 соединяется с цифровым индикатором 6. Положительный зажим (+) источника питания через саморазмыкающуюся кнопку 7 соединяется с зажимом сброса показаний цифрового интегратора 4.

Согласно второму пункту формулы изобретения в заявляемом устройстве к входному зажиму цифрового интегратора 4 подключаются инвертирующий вход первого компаратора 8 при его заземленном неинвертирующем входе, а также через первый ключ 9 - инвертирующий вход второго компаратора 10 и вход аналогового инвертора 11. Последний представляет собой операционный усилитель с заземленным неинвертирующим входом, а сопротивления на входе и в обратной связи которого строго одинаковы. Выход аналогового инвертора 11 через второй ключ 12 подключается к инвертирующему входу второго компаратора 10.

Выход тактового генератора 13 через третий ключ 14, управляющий вход которого подсоединяется к выходу делителя частоты 15, подключается через четвертый 16 и пятый 17 ключи к суммирующему и вычитающему входам счетчика импульсов 18. Выход счетчика 18 является выходом цифрового интегратора 4. К выходу тактового генератора 13 подключается также вход делителя частоты 15.

Выход делителя частоты 15 подключается к управляющему входу шестого ключа 19 и через логический инвертор 20 - к управляющему входу седьмого ключа 21, стоящего в обратной связи аналогового интегратора 22.

К выходу первого компаратора 8 присоединяется первый управляющий вход пятого ключа 17 на вычитающем входе счетчика импульсов 18 и управляющий вход первого ключа 9. Выход второго компаратора 10 соединяется с первым управляющим входом четвертого ключа 16 и со вторым управляющим входом пятого ключа 17. Выход первого компаратора 8 через логический инвертор 23 соединяется с управляющим входом второго ключа 12 на выходе аналогового инвертора и вторым управляющим входом четвертого ключа 16 на суммирующем входе счетчика импульсов 18. Положительный полюс стабильного источника питания 24 через шестой ключ 19 соединяется со входом аналогового интегратора 22, а также через саморазмыкающую кнопку 7 - с зажимом сброса информации счетчика импульсов 18. Отметим, что в последнем случае (для сброса информации) в качестве источника можно использовать и обычный (нестабильный) источник питания.

В процессе измерения заявляемое устройство работает следующим образом.

При замкнутом каркасе 2 пояс Роговского (фиг. 2) подносится к объекту измерения (шинам постоянного тока). При этом начальное значение взаимной индуктивности между поясом и токопроводом M(O)=0. Нажатием кнопки 7 (фиг. 1) сбрасывается возможная начальная информация в счетчике импульсов 18. С этого момента начинается процесс измерения. При охвате поясом Роговского пакета токоведущих шин взаимная индуктивность M(t) изменяется от M(O) = 0 до M(t₁) = M_max, где t₁ - время полного охвата шин поясом Роговского. В обмотке пояса наводится ЭДС:

где I - измеряемый ток;
ψ - потокосцепление.

Сигнал с пояса 1 (фиг. 1) в виде ЭДС поступает на вход масштабного усилителя 3, выходное напряжение u(t) которого подается на вход цифрового интегратора 4, в котором процесс интегрирования

заменяется алгебраической суммой

где интервал времени ΔT определяется периодом выходного сигнала делителя частоты 15,
K - коэффициент пропорциональности.

Надо отметить, что в начале измерения при t = 0 напряжение u(t) = u(O) = 0. В конце измерения также u(t) = 0. В процессе измерения u(t) может изменяться по произвольному закону, в том числе в некоторые моменты может иметь и отрицательные значения. Это зависит от действий оператора. Однако процесс измерения производится медленно и частота выходного сигнала делителя 15 f = 1/ΔT сможет быть выбрана сравнительно низкой.

При анализе изменение частоты измерения в два раза не приводило к изменениям методических погрешностей.

Процесс интегрирования с помощью узла 4 (фиг. 1) производится следующим образом.

Сигнал u(t) с выхода масштабного усилителя 3 поступает на инвертирующий вход первого компаратора 10 через первый ключ 9, если напряжение u(t) отрицательное, или - через аналоговый инвертор 11 и второй ключ 12, если напряжение u(t) - положительное. С этого момента, при замыкании шестого ключа 19 и размыкании седьмого ключа 21 от управляющего сигнала с делителя частоты 15, на вход аналогового интегратора 22 подается напряжение U_О от стабильного источника питания 24. С выхода интегратора 22 сигнал подается на неинвертирующий вход второго компаратора 10. С выхода последнего подаются сигналы на включение четвертого и пятого ключей 16 и 17. Ключ 16 включается, если напряжение масштабного усилителя положительное, а ключ 17, когда - отрицательное. В эти интервалы времени импульсы с тактового генератора поступают на счетчик импульсов 18 (соответственно на суммирующий вход или на вычитающий).

На фиг. 3а показаны изменения во времени напряжения u(t) на выходе масштабного усилителя 3 и напряжения uuвых

(t) на выходе аналогового интегратора 22.

Процесс интегрирования заканчивается, когда uuвых

(t) = u(t). В этот момент со второго компаратора 10 подается сигнал на отключение ключей 16 и 17.

Интервал τ (фиг. 3а), а следовательно, число импульсов, поступивших в счетчик, прямо пропорциональны напряжению u(t) (фиг. 3в).

Суммированием сигналов за все время измерения t₁ в устройстве реализуется уравнение (6). Далее сигнал с выхода счетчика через дешифратор 5 подается на индикатор 6. Во второй полупериод (фиг. 3б) напряжения с выхода делителя частоты 15 ключ 21 замыкается, поэтому конденсатор аналогового интегратора 22 разряжается до нулевого напряжения в этот период времени.

Испытания прототипа показали, что при использовании такого способа измерения постоянного тока можно достигнуть высокой точности измерения, причем погрешности создаются в основном аналоговыми элементами устройства.

Как отмечалось, существенное влияние на погрешности оказывает значение частоты тактового генератора (ТГ) 13. В таблице (см. также приложение) приведены относительные погрешности для различных частот.

Следует отметить, что они обусловлены дискретностью преобразования аналогового напряжения u(t) в число импульсов. По характеру эти погрешности являются систематическими и поэтому при градуировке устройства они могут быть устранены. Погрешности же, обусловленные изменением значения и формы напряжения u(t) при правильном выборе частот генератора 13 и делителя частоты 15, также могут быть снижены до весьма малых значений (единицы сотых долей процента).

Заявляемое устройство может быть использовано в народном хозяйстве как метрологическое переносное устройство для измерения токов свыше 100 кА с целью поверки стационарных измерительных устройств без их демонтажа.

По сравнению с прототипом диапазон расширяется с 50 кА до 250 кА и выше, а также увеличивается точность измерения, поскольку рабочая частота аналогового интегратора повышается, поэтому в нем можно использовать более прецизионные конденсаторы малой емкости. Кроме этого, существенно меньший период интегрирования (τ ≪ t₁) полностью устраняет погрешность из-за дрейфа нуля интегратора.

Расчеты и испытания макета предлагаемого устройства позволяют утверждать, что погрешность измерения тока не превысит значения 0,05%.

Заявляемый переносной цифровой измеритель больших постоянных токов представляет значительный интерес для народного хозяйства, так как позволит поверять стационарные измерительные установки без прекращения технологического процесса и упростить процесс поверки этих установок.

Заявляемое устройство не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды.

Изобретение можно использовать в электроизмерительной технике, в частности для поверки стационарных измерительных систем на токи свыше 100 кА без их демонтажа. С целью расширения функциональных возможностей в направлении увеличения предела измеряемых токов и снижения погрешностей измерения тока предлагается использовать в устройстве цифровой интегратор на основе преобразователя аналогового напряжения в число импульсов. Технический результат: повышается точность интегрирования, а в итоге улучшаются технические характеристики всего устройства. 3 ил. 1 табл.

Переносной цифровой измеритель больших постоянных токов, содержащий пояс Роговского в виде обмотки, расположенной на разъемном неферромагнитном каркасе, причем первый зажим пояса Роговского соединен с нулевой шиной, саморазмыкающуюся кнопку сброса показаний, интегратор, отличающийся тем, что в устройство введены масштабный усилитель, дешифратор, цифровой индикатор и стабильный источник питания, а интегратор выполнен в виде цифрового интегратора, который содержит аналоговый интегратор, тактовый генератор, делитель частоты, счетчик импульсов, два компаратора, семь электронных ключей, два логических инвертора, причем второй зажим обмотки пояса Роговского соединен со входом масштабного усилителя, а выход его подключен ко входу аналогового инвертора, а также к инвертирующему входу первого компаратора и через первый электронный ключ - к инвертирующему входу второго компаратора, выход аналогового инвертора через второй электронный ключ подключен к инвертирующему входу второго компаратора, выход тактового генератора через третий электронный ключ, управляющий вход которого подключен к выходу делителя частоты, подключен через четвертый и пятый электронные ключи к суммирующему и вычитающему входам счетчика импульсов, к выходу тактового генератора также подключен делитель частоты, выход которого соединен с управляющим входом шестого электронного ключа и через логический инвертор с управляющим входом седьмого электронного ключа в обратной связи аналогового интегратора, вход которого через шестой электронный ключ соединен с положительным выходом стабильного источника питания, к выходу первого компаратора присоединены первый управляющий вход пятого электронного ключа и управляющий вход первого электронного ключа, выход второго компаратора соединен с первым управляющим входом четвертого электронного ключа и вторым управляющим входом пятого электронного ключа; выход первого компаратора через логический инвертор соединен с управляющим входом второго электронного ключа и вторым управляющим входом четвертого электронного ключа на суммирующем входе счетчика импульсов, положительный вывод стабилизированного источника питания через саморазмыкающую кнопку подсоединен к зажиму сброса информации счетчика импульсов, выход последнего через дешифратор соединен с цифровым индикатором.