ОБРАЗЦОВЫЙ 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.

Нам 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.С. (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%. Однако этот аналог имеет ряд недостатков, указанных ниже и не позволяющих повысить точность измерения.

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. С обмотки пояса Роговского снимается информация 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.

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 "Образцовый измеритель больших постоянных токов" содержит пояс Роговского в виде обмотки, расположенной на разъемном неферромагнитном каркасе, саморазмыкающуюся кнопку сброса показаний, масштабный усилитель, компаратор, генератор треугольного напряжения, тактовый генератор, два логических элемента И, логический инвертор, счетчик импульсов, дешифратор и цифровой индикатор, причем обмотка пояса Роговского включена между нулевой шиной и входом масштабного усилителя, а выход последнего соединен с неинвертирующим входом компаратора, инвертирующий вход которого подключен к выходу генератора треугольной формы, а выход компаратора соединен с одним из входов первого логического элемента И непосредственно и с одним из входов второго логического элемента И - через логический инвертор; другие входные зажимы логических элементов И подключены к выходу тактового генератора; выход первого логического элемента И соединен с суммирующим входом счетчика импульсов, а выход второго логического элемента И - с вычитающим входом этого счетчика, выход которого через дешифратор подключен к цифровому индикатору, а вывод сброса показаний счетчика через саморазмыкающуюся кнопку соединен с положительным выводом источника питания.

По отношению к прототипу у заявляемого изобретения имеются следующие отличительные признаки. Обмотка пояса Роговского подключается к масштабному усилителю, который подсоединяется к блоку время-импульсной обработки информации, осуществляющим цифровое интегрирование и заменяет аналоговый интегратор прототипа. При этом достигается исключение погрешностей измерителя, вызванных дрейфом нуля операционного усилителя, как это имеет место в прототипе. Это позволяет неограничено увеличить время измерения, что необходимо при измерениях токов свыше 100 кА.

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

По мнению автора, 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 обуславливают достижение поставленной цели - расширение функицональных 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 фиг. 3а - зависимости выходного напряжения масштабного усилителя U(t) и выходного напряжения генератора треугольного напряжения (ГТН) U_mp(t); на фиг. 3б - сигналы, поступающие с выхода компаратора. Время измерения равно Θ.
Заявляемое изобретение содержит пояс Роговского с обмоткой 1 (фиг. 1) на разъемном неферромагнитном каркасе 1а (фиг. 2), некоторые стороны которого соединены шарнирно. Один зажим обмотки пояса присоединяется к нулевой шине, второй зажим является выходом пояса и присоединяется к масштабному усилителю 2. Выход масштабного усилителя подключается ко неинвертирующему входу компаратора 3, к инвертирующему входу которого присоединен выход ГНТ 4. Выход компаратора 3 соединяется с входными выводами логических элементов И 5 и 6, причем, с входом первого элемента 5 - непосредственно, а с входом второго элемента 6 - через логический инвертор 7. К другим входным зажимам элементов 5 и 6 подключается выход тактового генератора 8. Выход первого элемента 5 соединяется с суммирующим входом счетчика импульсов 9, а выход второго элемента 6 - с вычитающим входом счетчика 9, выход которого через дешифратор 10 соединяется с цифровым индикатором 11. Зажим сброса показаний счетчика 9 через кнопку 12 соединяется с положительным выводом источника питания. Отметим, что в последнем случае (для сброса информации) в качестве источника можно использовать источник питания, снабжающий энергией электронные элементы измерителя.

В процессе измерения заявляемое устройство работает следующим образом.

Поясом Роговского 1а (фиг. 2) охватываются шины с измеряемым током, причем пояс замыкается. При этом начальное значение взаимной индуктивности между поясом и токопроводом M(O) = M_max. Нажатием кнопки 12 (фиг. 1) сбрасывается возможная начальная информация в счетчике импульсов 9. С этого момента начинается процесс измерения. При выносе пояса Роговского за пределы пакета токоведущих шин взаимная индуктивность M(t) изменяется от M_max до 0 за время интегрирования (измерения) Θ. В обмотке пояса наводится ЭДС:

где I - измеряемый ток; ψ - потокосцепление.

Сигнал с обмотки 1 (фиг. 1) в виде ЭДС поступает на вход масштабного усилителя 2 (он должен иметь большое входное сопротивление), выходное напряжение U(t) которого подается на неинвертирующий вход компаратора 3. Надо отметить, что в начале измерения при t = 0 напряжение U(t) = U(0) = 0. В конце измерения также U(t) = o. В процессе измерения U(t) может изменяться по произвольному закону, в том числе в некоторые моменты может иметь и отрицательные значения, что зависит от действий оператора.

На инвертирующий вход компаратора 3 подается напряжение U_mp(t) с выхода ГТН 4. Это напряжение имеет период T_mp. Временные диаграммы напряжений с масштабного усилителя и ГТН приведены на фиг. 3а. При равенстве напряжений U(t) и U_mp(t) компаратор 3 переключается. Его выходное напряжение показано на фиг. 3б. В k-м такте в течение времени Δt_k1 на вход первого логического элемента И 5 с выхода компаратора 3 подается разрешающий сигнал, а на вход второго элемента 6 - запрещающий сигнал с выхода логического инвертора 7. Поэтому импульсы с выхода тактового генератора 8 поступают на суммирующий вход счетчика 9. Аналогично в течении времени Δt_k2 импульсы с генератора 8 поступают на вычитающий вход счетчика 9. Частота импульсов генератора 8 f₀ > > 1/T_mp.

Анализ показывает, что счетчик 9 за время ΔT_k = Δt_k1+Δt_k2 (фиг. 3б) зафиксирует количество импульсов, которое равно

где U_k1, U_k2, U_k3 - мгновенные значения напряжения U(t) в тех точках, где треугольное напряжение равно напряжению U(t) (фиг. 3а); T₀ = 1/f₀; U₀ - амплитудное значение треугольного напряжения.

Суммированием импульсов за время измерения Θ реализуется выражение:

где U_k = U_k1 + 2U_k2 + U_k3; K - коэффициент пропорциональности; I - измеряемый ток.

Уравнение (3) заменяет процесс интегрирования

Отметим, что при отрицательной полярности напряжения U(t) длительность "единичных" импульсов на выходе компаратора 3 меньше длительности "нулевых" импульсов (фиг. 3), поэтому на вычитающий вход счетчика 9 поступит импульсов больше, чем на суммирующий, что и необходимо для правильной работы устройства.

Анализ и испытания показывают, что выбором частот треугольного напряжения и импульсов тактового генератора можно снизить погрешности измерения тока до сотых долей процента. Например, при времени измерения Θ = 20 сек частота f_mp = 1/T_mp должна быть порядка 50 Гц, а частота f₀ - порядка 100 кГц.

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 исключаются источники погрешностей, приводящие к снижению точности измерения тока с помощью прототипа, например, дрейф нуля интегратора.

Расчеты и испытания макета предлагаемого устройства позволяют утверждать, что погрешность измерения тока не превысит значения 0,03%.

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 упростит 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. Для 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 с использованием широтно-импульсной модуляции, что повышает точность интегрирования, а в итоге улучшает технические характеристики всего устройства. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Образцовый измеритель больших постоянных токов, содержащий пояс Роговского в виде обмотки, расположенной на разъемном неферромагнитном каркасе, саморазмыкающуюся кнопку сброса показаний, отличающийся тем, что в измеритель введены масштабный усилитель, компаратор, генератор треугольного напряжения, тактовый генератор, два логических элемента И, логический инвертор, счетчик импульсов, дешифратор и цифровой индикатор, причем обмотка пояса Роговского включена между нулевой шиной и входом масштабного усилителя, а выход последнего соединен с неинвертирующим входом компаратора, инвертирующий вход которого подключен к выходу генератора треугольного напряжения, а выход компаратора соединен с одним их входов первого логического элемента И непосредственно и с одним из входов второго логического элемента И через логический инвертор, другие входные зажимы логических элементов И подключены к выходу тактового генератора, выход первого логического элемента И соединен с суммирующим входом счетчика импульсов, а выход второго логического элемента И - с вычитающим входом этого счетчика, выход которого через дешифратор подключен к цифровому индикатору, а вывод сброса показаний счетчика через саморазмыкающуюся кнопку соединен с положительным выводом источника питания. 2. Измеритель по п.1, отличающийся тем, что отношение частоты импульсов тактового генератора к частоте треугольного напряжения выбирается равным 2000.