ДАТЧИК ТОКА Российский патент 1999 года по МПК G01R19/00 G01R19/22 

Известны датчики тока преимущественно для измерения больших токов, использующие делители тока, которые позволяют разделить измеряемый ток на пропорциональные части с определенным коэффициентом пропорциональности и, измерив меньшую часть тока, по ее значению судить о величине измеряемого тока в целом. В пат. США N 5027059 для этой цели используется т.н. дифференциальный шунт, части которого охвачены магнитной цепью магнитного сердечника, другая магнитная цепь которого охватывает обмотку, которая используется для съема сигнала, пропорционального измеряемому току. В пат. США N 4492919 для деления тока используется несколько токонесущих ветвей, из которых самую высокоомную шунтирует пара низкоомных, расположенных симметрично относительно первой высокоомной. Для измерения тока на высокоомную токонесущую ветвь надет сердечник с намотанной на нем обмоткой, выводы которой соединены с цепью обработки измерительного сигнала.

Датчики тока в двух приведенных примерах предназначены для измерения только переменного тока, так как для измерения части измеряемого тока используют трансформатор тока. То, что эти датчики не могут использоваться при измерении токов с постоянной составляющей и является их главным недостатком.

Известны схемы для измерения постоянного тока, где также используют трансформатор. Но в случае измерения постоянного тока на вторичную обмотку трансформатора подают сигнал возбуждения и по его высокочастотным искажениям судят о токе, проходящем в первичной обмотке и вызывающем насыщение сердечника трансформатора. Использование токового делителя известной конструкции в такой схеме измерения постоянного тока невозможно, т.к. параллельные цепи токового делителя шунтируют высокочастотный сигнал вторичной обмотки трансформатора тем сильнее, чем меньше их сопротивление.

Предлагаемое изобретение позволяет решить эту проблему.

Согласно изобретению датчик тока, содержащий делитель измеряемого тока из нескольких включенных параллельно проводников, на один из которых надет сердечник с обмоткой на нем, соединенной с входами цепи обработки измерительного сигнала, выходы которого являются выходами информационного сигнала датчика тока, имеет по крайней мере два проводника из числа указанных включенных параллельно проводников, которые проходят раздельно через отверстия второго магнитного сердечника, выполненного из магнитомягкого материала, таким образом, что магнитные потоки, наводимые в указанном втором магнитном сердечнике двумя долями измеряемого тока, протекающими соответственно по указанным двум проводникам, направлены встречно и компенсируют друг друга.

Далее, согласно изобретению цепь обработки измерительного сигнала в датчике тока содержит генератор периодически линейно изменяющегося тока, выход которого вместе с входом высокочастотного фильтра образуют вход цепи обработки, а выход высокочастотного фильтра соединен с входом порогового устройства с гистерезисной передаточной характеристикой, выход которого является выходом информационного сигнала датчика тока.

Далее, согласно изобретению в цепи обработки измерительного сигнала генератор периодически линейно изменяющегося тока содержит генератор периодически линейно изменяющегося напряжения, выход которого через токозадающий резистор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с точкой опорного потенциала генератора линейно изменяющегося напряжения, а выход операционного усилителя служит одним из выходных выводов генератора периодически линейно изменяющегося тока, другой выходной вывод которого соединен с точкой соединения токозадающего резистора и инвертирующего входа операционного усилителя.

Далее, согласно изобретению в цепи обработки измерительного сигнала высокочастотный фильтр выполнен как однозвенная дифференцирующая цепь.

Далее, согласно изобретению в цепи обработки измерительного сигнала пороговое устройство с гистерезисной передаточной характеристикой, выход которого является выходом информационного сигнала датчика тока, выполнено на усилителе с положительной обратной связью по напряжению, входные выводы которого соединены один с выходом высокочастотного фильтра, другой - с точкой опорного потенциала генератора линейно изменяющегося напряжения.

Ниже изобретение поясняется на примере выполнения.

На фиг. 1 изображен датчик тока согласно изобретению.

На фиг. 2 изображена схема цепи обработки измерительного сигнала для датчика тока согласно изобретению.

На фиг. 3 изображены временные диаграммы, поясняющие работу датчика тока согласно изобретению.

Изображенный на фиг.1 датчик тока содержит делитель тока из нескольких включенных параллельно проводников 1, 2, 3, на один из которых надет сердечник 4 с обмоткой 5 на нем, соединенной с входами цепи 6 обработки измерительного сигнала, выходы которой являются выходами измерительного сигнала датчика тока. Два проводника 1 и 2 проходят раздельно сквозь отверстия второго сердечника 7 из магнитомягкого материала таким образом, что магнитные потоки, наводимые в указанном втором магнитном сердечнике 7 двумя долями измеряемого тока, протекающими соответственно по указанным двум проводникам 1 и 2, направлены встречно и компенсируют друг друга.

В результате магнитный сердечник 7 при любом значении измеряемого тока остается ненасыщенным и увеличивает сопротивление обмотки 5 на сердечнике 4 полезному высокочастотному измерительному сигналу, образующемуся на ней под воздействием двух токов: измеряемого и тока цепи 6 обработки измерительного сигнала.

Изображенная на фиг.2 схема цепи 6 обработки измерительного сигнала для измерения постоянного и переменного тока с датчиком тока согласно изобретению, содержит генератор 8 периодически линейно изменяющегося тока, выход 9 которого вместе с входом 10 высокочастотного фильтра 11 образуют первый входной вывод 12 цепи 6 обработки измерительного сигнала. Выход 13 высокочастотного фильтра 11 соединен с входом 14 порогового устройства 15 с гистерезисной передаточной характеристикой, выход 16 которого является выходом информационного сигнала датчика тока.

Генератор 8 периодически линейно изменяющегося тока содержит генератор 17 линейно изменяющегося напряжения, выход которого через токозадающий резистор 18 соединен с вторым входным выводом 19 цепи 6 для обработки измерительного сигнала и с инвертирующим входом операционного усилителя 20, неинвертирующий вход которого соединен с общим выводом 21 генератора 17 линейно изменяющегося напряжения. Выход операционного усилителя 20 является первым выходным выводом 9 генератора 8 линейно изменяющегося тока.

Высокочастотный фильтр 11 выполнен как однозвенная дифференцирующая цепь на конденсаторе 22 и резисторе 23.

Пороговое устройство 15 выполнено на операционном усилителе 24 с положительной обратной связью через делитель на резисторах 25 и 26 и имеет гистерезис передаточной характеристики.

Работа датчика тока поясняется временными диаграммами на фиг.3.

Часть измеряемого тока I_mes/n, где n - коэффициент деления токового делителя, протекая по проводнику 2, создает в надетом на этот проводник сердечнике 4 магнитное поле I_mes/n, на которое накладывается периодически линейно изменяющееся магнитное поле I_ref•W₅, наводимое периодически линейно изменяющимся током I_ref генератора 8, протекающим по обмотке 5 с числом витков W₅.

Под действием результирующего магнитного поля сердечник 4 дважды за период изменения тока I_ref генератора 8 перемагничивается из состояния насыщения -B_max в состояние насыщения +B_max и обратно, когда результирующее магнитное поле измеряемого тока и тока генератора 8 меняет знак.

В моменты перемагничивания сердечника 4 в намотанной на него обмотке 5 наводится напряжение U₅, определяемое скоростью изменения в нем магнитной индукции В₄. Поступающее на вход 10 высокочастотного фильтра 11 напряжение U₅ преобразуется в напряжение U_fltr на выходе 13 фильтра и входе 14 порогового устройства 15, на выходе 16 которого, являющемся выходом измерительного сигнала датчика тока, образуется выходной сигнал в виде напряжения U_out, информационным параметром которого служит длительность импульсов t₀, t₁. При условии симметричного изменения тока I_ref генератора 8 в пределах от I_refmax до +I_refmax уравнение для расчета измеряемого тока I_mes выглядит так:
I_mes=I_refmax•n•W₅• (1-2t₀/(t₀+t₁)),
где n -коэффициент деления токового делителя,
W₅ - количество витков обмотки 5,
t₀, t₁- длительности импульсов логических уровней соответственно 0 и 1 выходного напряжения U_out датчика тока.

Датчик тока, содержащий делитель измеряемого тока из нескольких включенных параллельно проводников, на один из которых надет сердечник с обмоткой на нем, соединенной с входами цепи обработки измерительного сигнала, выходы которого являются выходами информационного сигнала датчика тока. Датчик имеет по крайней мере два проводника из числа указанных включенных параллельно проводников, которые проходят раздельно через отверстия выполненного из магнитомягкого материала второго магнитного сердечника так, что магнитные потоки, наводимые в указанном втором магнитном сердечнике двумя долями измеряемого тока, протекающими соответственно по указанным двум проводникам, направлены встречно и компенсируют друг друга. Цепь обработки измерительного сигнала в датчике тока посредством генератора периодически линейно изменяющегося тока возбуждает в первом магнитном сердечнике линейно изменяющееся магнитное поле, которое, накладываясь на магнитное поле, возбуждаемое частью измеряемого тока, перемагничивает его из одного состояния насыщения в другое, и обратно. При перемагничивании первого сердечника в расположенной на нем обмотке наводятся импульсы напряжения, попадающие после обработки в высокочастотном фильтре на вход порогового устройства с гистерезисной передаточной характеристикой, на выходе которого появляется последовательность импульсов, соотношение длительность /пауза которых и есть информационный сигнала датчика тока. Технический результат заключается в создании датчика тока для измерения переменного и постоянного тока. 4 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Датчик тока, содержащий делитель измеряемого тока из нескольких включенных параллельно проводников, на один из которых надет сердечник с обмоткой на нем, соединенной с входами цепи обработки измерительного сигнала, выходы которого являются выходами информационного сигнала датчика тока, отличающийся тем, что по крайней мере два проводника из числа указанных включенных параллельно проводников проходят раздельно через отверстия второго магнитного сердечника, выполненного из магнитомягкого материала, так, что магнитные потоки, наводимые в указанном втором магнитном сердечнике долями измеряемого тока, протекающими соответственно по указанным двум проводникам, направлены встречно и компенсируют друг друга. 2. Датчик тока по п.1, отличающийся тем, что цепь обработки измерительного сигнала содержит генератор периодически линейно изменяющегося тока, выход которого вместе с входом высокочастотного фильтра образуют вход цепи обработки измерительного сигнала, а выход высокочастотного фильтра соединен с входом порогового устройства с гистерезисной передаточной характеристикой, выход которого является выходом информационного сигнала датчика тока. 3. Датчик тока по п.2, отличающийся тем, что генератор периодически линейно изменяющегося тока содержит генератор периодически линейно изменяющегося напряжения, выход которого через токозадающий резистор соединен с инвертирующим входом операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с точкой опорного потенциала генератора линейно изменяющегося напряжения, а выход операционного усилителя служит одним из выходных выводов генератора периодически линейно изменяющегося тока, другой выходной вывод которого соединен с точкой соединения токозадающего резистора и инвертирующего входа операционного усилителя. 4. Датчик тока по п.2, отличающийся тем, что высокочастотный фильтр выполнен как однозвенная дифференцирующая цепь. 5. Датчик тока по п.2, отличающийся тем, что пороговое устройство с гистерезисной передаточной характеристикой выполнено на усилителе с положительной обратной связью по напряжению, входные выводы которого соединены один с выходом высокочастотного фильтра, другой - с точкой опорного потенциала генератора линейно изменяющегося напряжения.