СХЕМА ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА Российский патент 2000 года по МПК G01R21/133 G01R19/00 H03M1/20 

Изобретение относится к схеме измерения тока, содержащей трансформатор со взаимной связью и интегрирующую схему, которая интегрирует сигнал от трансформатора со взаимной связью.

Использование трансформаторов со взаимной связью (иначе известных как трансформаторы с индуктивной связью) для измерения токов обладает некоторыми преимуществами в сравнении с другими измерительными приборами. В частности, в области электрических измерений трансформатор со взаимной связью обходит проблемы насыщения постоянным током, которые возникают в трансформаторах с железным сердечником, и обеспечивает измерение тока отдельно от других измерений, например измерений тока на других фазах многофазной сети. Однако трансформаторы со взаимной связью преподносят частную проблему в том, что сигнал, подаваемый трансформатором, является производной от измеряемого тока. Поэтому использование трансформатора со взаимной связью требует интегрирующую схему для обработки сигнала.

Измерительные схемы, включающие в себя трансформатор со взаимной связью и интегрирующую схему, описаны в патентной заявке ЕР 0403330. Эта интегрирующая схема, в частности, приспособлена подавлять низкочастотные сигналы и паразитные сигналы постоянного тока, которые могут вырабатываться на выходе обычной интегрирующей схемы.

Часто бывает, что сигналы, представляющие измерение тока, преобразуются аналого-цифровым преобразователем для последующей обработки. Известный метод для улучшения разрешающей способности аналого-цифрового преобразователя использует псевдослучайный сигнал, добавляемый к измеряемому сигналу перед преобразованием посредством преобразователя. Этот псевдослучайный сигнал может быть случайным сигналом или периодическим сигналом, например треугольным сигналом или сигналом в виде пилы. При использовании этого метода значение измеряемого сигнала может быть определено путем анализа преобразованных значений сигнала с разрешающей способностью, лучшей, чем обычно возможная с доступным шагом квантования преобразователя. Принципы метода псевдослучайного сигнала известны долгое время, а примеры измерений и систем связи, которые используют псевдослучайный сигнал для улучшения характеристик преобразователя, описаны в патентах США N 4187466, ЕР N 0181719 и ЕР N 0613256. Патент ЕР N 0181719 в частности описывает принципы системы, которая добавляет треугольный сигнал к токовому сигналу перед преобразованием.

В основу настоящего изобретения положена задача создать систему для измерения токов, которая объединяет преимущества, связанные с трансформаторами со взаимной связью, с теми, которые связаны с использованием псевдослучайного сигнала. Генерирование псевдослучайного сигнала может вызвать проблемы, связанные со стоимостью компонентов и сложностью системы, которая его генерирует. Настоящее изобретение позволяет создать систему, которая имеет преимущества обоих методов, но которая избегает проблему сложности и удвоения компонентов.

Поставленная задача решается тем, что согласно настоящему изобретению измерительная схема дополнительно содержит псевдослучайную схему, которая добавляет по существу прямоугольный сигнал к сигналу с трансформатора перед входом интегрирующей схемы для того, чтобы интегрирующая схема обеспечивала сигнал, представляющий измеренный ток, возмущенный по существу треугольным псевдослучайным сигналом.

В общем случае, колебание в виде меандра или прямоугольный сигнал не подходит в качестве псевдослучайного сигнала, но он может легко генерироваться в электронной схеме, например, на выходе микропроцессора. Настоящее изобретение предлагает схему, в которой вырабатывается токовый сигнал, модулированный треугольным псевдослучайным сигналом, который может быть направлен на аналого-цифровой преобразователь, но эта схема избегает удвоения компонентов вследствие того, что интегрирующая схема выполняет как функцию интегрирования сигнала от трансформатора со взаимной связью, так и функцию создания псевдослучайного сигнала.

Как описано выше, значение измеренного трансформатором сигнала может затем вычисляться после преобразования операцией обработки сигнала с разрешающей способностью, лучшей, чем возможная только с аналого-цифровым преобразователем.

Интегрирующая схема может быть цифровым или аналоговым интегратором обычного типа. Однако предпочтительно использовать схему, подобную схеме заявки ЕР N 0403330, которая содержит усилитель со связанным сопротивлением усиления и петлей обратной связи, содержащей конденсатор обратной связи, интегрирующая схема далее содержит второй интегратор, установленный на выходе усилителя, навстречу петле обратной связи.

Посредством этого интегрирующая схема подавляет низкие частоты и паразитные сигналы постоянного тока, которые могут возникнуть в обычных аналоговых схемах. Предпочтительно интегрирующая схема может дополнительно содержать средство для коррекции фазовых задержек проинтегрированного сигнала, в частности задержки, вносимой сопротивлением усилителя интегратора, это средство содержит пассивный фильтр, установленный навстречу усилителю. Если схема измерения тока образует часть входной схемы электрического измерителя, включающей в себя схему измерения напряжения, пассивный фильтр может быть сокращен вследствие того, что все фазовые задержки между трактами напряжения и тока корректируются этим фильтром, а напряжение в сети измеряется непосредственно без изменения его фазы. Таким образом, канал напряжения свободен от ограничений, связанных с использованием компонентов для коррекции фазы, что дает преимущество, если канал напряжения также используется для передачи данных.

Как рассмотрено выше, меандровый или прямоугольный сигнал легко генерируется электронной схемой. В одном выполнении прямоугольный сигнал может генерироваться c использованием сигнала c широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) (PWM), получаемого на выходе микропроцессора, каковой сигнал пропускается через средство коммутации, содержащее по меньшей мере триггер для того, чтобы поделить среднюю частоту сигнала с ШИМ и получить меандровое колебание.

Использование псевдослучайного сигнала, имеющего форму простого треугольного колебания, может вызвать проблемы, связанные с соотношением между амплитудой сигнала и шагами квантования преобразователя. В частности, проблема возникает, если амплитуда псевдослучайного сигнала не равна общему числу шагов квантования преобразователя. Для того, чтобы преодолеть эти проблемы, псевдослучайная схема предпочтительно выдает прямоугольный сигнал, который дополнительно модулируется модулирующим сигналом. Этот сигнал затем интегрируется, чтобы стать модулированным треугольным сигналом.

Использование сигнала, имеющего такую форму, преодолевает проблемы, связанные с разностью между амплитудой немодулированного треугольного сигнала и уровнями квантования преобразователя. В действительности, модулирующий сигнал вносит составляющую в преобразованные значения, которые зависят от разности между амплитудой треугольного сигнала и шагами квантования преобразователя и которые могут быть подавлены после преобразования в той же операции обработки, которая подавляет псевдослучайный сигнал, например, путем использования децимирующего фильтра.

Предпочтительно модулированный сигнал также генерируется с использованием сигнала с ШИМ микропроцессора. В одном выполнении два уровня модулирующего сигнала могут генерироваться с использованием двух интегрирующих схем, которые интегрируют сигнал с ШИМ (и его инверсию) для создания каждого уровня. Однако можно дополнительно снизить число используемых компонентов. Предпочтительно псевдослучайная схема содержит интегратор, который интегрирует сигнал с широтно-импульсной модуляцией для того, чтобы создать треугольный сигнал, представляющий один уровень модулирующего сигнала, этот сигнал подается на средство коммутации для образования по существу прямоугольного сигнала, имеющего только один уровень, который изменяется согласно сигналу от интегратора. Псевдослучайная схема далее содержит фильтр, который отфильтровывает низкочастотные составляющие из сигнала, чтобы обеспечить прямоугольный сигнал, который модулирован симметрично.

Рассматривая прямоугольный модулированный сигнал перед операцией фильтрации, видим, что этот сигнал содержит частотные составляющие, соответствующие частоте прямоугольного сигнала, и низкочастотную составляющую, соответствующую треугольному сигналу, который модулирует один из двух уровней прямоугольного сигнала, фильтр таким образом исключает низкочастотные составляющие, и сигнал принимает симметричную форму, т.е. такую, что два уровня сигнала модулированы одинаково.

В дальнейшем изобретение поясняется конкретным вариантом его выполнения со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг. 1 показывает пример входной схемы для электрического измерителя, содержащего схему измерения тока согласно настоящему изобретению;
фиг. 2 показывает операции создания псевдослучайного сигнала, добавленного к токовому сигналу, измеряемому схемой по фиг. 1.

Как показано на фиг. 1, входная схема электрического измерителя согласно этому выполнению содержит схему измерения тока, включающую в себя псевдослучайную схему 1 и интегрирующую схему 2, которая интегрирует сигнал от трансформатора 3 индуктивности (трансформатора со взаимной связью), объединенный с меандровым колебанием, поданным от псевдослучайной схемы, схему 4 измерения напряжения и аналого-цифровой преобразователь 5.

Псевдослучайная схема 1 содержит триггер 6, который принимает сигнал с ШИМ от микропроцессора, связанного с этой схемой. Триггер делит среднюю частоту сигнала с ШИМ для создания меандровото колебания. Модулирующий сигнал вырабатывается переключателем 8, который отключает опорное напряжение V_ref в ответ на сигнал с ШИМ от микропроцессора, чтобы после фильтрации резистором и конденсатором 9 и 11 и добавления опорного напряжения V_ref резисторами 9, 10 и 12, выработать модулированный напряжением V_ref сигнал. Этот сигнал модулирован в треугольном виде на частоте цикла ШИМ и имеет глубину модуляции, которая зависит от соотношения

Этот сигнал затем отключается вторым переключателем 7 в ответ на меандровое колебание, произведенное сигналом с ШИМ, пропущенным через триггер 6 для обеспечения асимметрично модулированного меандрового сигнала. Конденсатор 13 служит для выравнивания времен нарастания и спада модулирующего сигнала.

Как показано на фиг. 1, этот сигнал, модулированный на своем верхнем уровне, обрабатывается симметрирующей схемой, содержащей конденсатор 15, который устраняет низкие частоты, которые делают модулированный меандровый сигнал асимметричным, чтобы генерировать трапецеидально модулированное меандровое колебание, а также резисторы 16, 17 и конденсатор 18, функцией которого является скомпенсировать искажения трапецеидального сигнала, выдаваемого с конденсатора 15. В действительности, симметрирующая схема, содержащая компоненты 15-18, составляет полосовой фильтр, который пропускает частоту меандрового колебания и его первые гармоники и который исключает частоты, искажающие симметричную форму сигнала. Как следует из фиг. 2, тем самым вырабатывается модулированный меандровым колебанием и симметричный сигнал.

Как показано на фиг. 1, схема измерения тока далее содержит трансформатор 3 со взаимной индуктивностью, сигнал с которого представляет производную от тока, который проходит в фазе F1 сети переменного тока. Этот сигнал подается на интегрирующую схему 2, а затем на аналого-цифровой преобразователь 5. Интегрирующая схема 2 содержит усилитель 20 с петлей обратной связи, образованной конденсатором 21 и резистором 22, который управляет интегрированием сигнала трансформатора. Схема далее содержит соединительный конденсатор 23, подключенный к выходу усилителя навстречу петле обратной связи, который изменяет характеристики схемы для того, чтобы подавить низкие частоты и сигнал постоянного тока, и резистор 24 ограничения усиления, который предотвращает насыщение усилителя. Делитель 24, 25 напряжения подключен к выходу схемы навстречу преобразователю 5. В действительности, эти элементы схемы соответствуют схеме, описанной в заявке ЕР N 0403330, которая подает сигнал, соответствующий интегралу от сигнала трансформатора без паразитных эффектов и искажения сигнала.

Схема измерения тока образует часть входной схемы электрического измерителя, которая далее содержит схему 4 измерения напряжения, содержащую делитель напряжения, состоящий из двух резисторов 26, 27. Входная схема настоящего изобретения отличается от схемы заявки ЕР N 0403330 тем, что отсутствует элемент фазовой коррекции в цепи сигнала напряжения, конденсатор 28 работает только для подавления нежелательных высоких частот. Т.е. элементы фазовой коррекции образованы конденсатором 29 и резистором 30, которые работают вместе с резисторами 22 и 31 для коррекции фазы в токовой цепи, так что ток и напряжения находятся в фазе на входе аналого-цифрового преобразователя. Токовая цепь далее содержит конденсатор 32, который ослабляет нежелательные высокие частоты. Конденсаторы 28 и 32 являются необязательными и могут быть исключены в других выполнениях.

Сигнал от псевдослучайной схемы добавляется к сигналу, принятому от трансформатора 3, и подается на интегрирующую схему в точке 33. Объединение сигналов затем интегрируется для создания сигнала, представляющего образ тока, измеренного трансформатором, с добавлением псевдослучайного сигнала, имеющего вид треугольного колебания, модулированного трапецией. Амплитуда колебания и модулирующий сигнал выбираются для образования псевдослучайного сигнала, содержащего треугольный сигнал 30 с амплитудой, соответствующей нескольким шагам квантования преобразователя, модулированного на каждом уровне амплитудой, соответствующей по меньшей мере половине шага квантования. Сигнал затем подается на вход аналого-цифрового преобразователя. Как описано выше во введении, использование сигнала с такой формой улучшает разрешающую способность сигнала преобразователем. После операции преобразования псевдослучайный сигнал может быть удален с использованием цифрового децимирующего фильтра или другого известного средства, например, путем преобразования аналогового псевдослучайного сигнала в цифровой сигнал и вычитания того сигнала из сигнала, представляющего объединенные значения тока и псевдослучайного сигнала. Вычисленные таким образом сигналы тока и напряжения могут использоваться в вычислениях потребляемой энергии и т.п.

Схема измерения тока содержит трансформатор (3) со взаимной индуктивностью, интегрирующую схему (2) и псевдослучайную схему (1), которая добавляет меандровое колебание к сигналу от трансформатора (3) перед входом интегрирующей схемы (2) для того, чтобы интегрирующая схема (2) обеспечивала сигнал, представляющий измеренный ток, возмущенный треугольным псевдослучайным сигналом. Технический результат: при объединении преимуществ, связанных с трансформаторами со взаимной связью и с использованием псевдослучайного сигнала, устраняется проблема сложности и удвоения компонентов. 2 с. и 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Схема измерения тока, содержащая трансформатор со взаимной индуктивностью и схему, интегрирующую сигнал от трансформатора, отличающаяся тем, что содержит псевдослучайную схему, которая добавляет прямоугольный сигнал к сигналу от трансформатора перед входом интегрирующей схемы для того, чтобы интегрирующая схема обеспечивала сигнал, представляющий измеренный ток, вызванный треугольным псевдослучайным сигналом. 2. Схема измерения тока по п.1, отличающаяся тем, что псевдослучайная схема подает прямоугольный сигнал, модулированный модулирующим сигналом. 3. Схема измерения тока по п.1 или 2, отличающаяся тем, что прямоугольный сигнал генерируется средством коммутации, содержащим по меньшей мере один триггер, который принимает сигнал с широтно-импульсной модуляцией и который делит частоту этого сигнала для создания прямоугольного сигнала. 4. Схема измерения тока по п.3, отличающаяся тем, что псевдослучайная схема содержит интегратор, который интегрирует сигнал с широтно-импульсной модуляцией для создания треугольного сигнала, представляющего один уровень модулирующего сигнала, этот сигнал подается на средство коммутации для создания прямоугольного сигнала, имеющего только один уровень, который изменяется согласно сигналу от интегратора, псевдослучайная схема далее содержит фильтр, который отфильтровывает низкочастотные составляющие, чтобы обеспечить прямоугольный сигнал, который модулирован симметрично. 5. Схема измерения тока по любому из предыдущих пунктов, отличающаяся тем, что интегрирующая схема содержит усилитель с сопротивлением ограничения усиления и петлей обратной связи, включающей в себя конденсатор обратной связи, интегрирующая схема далее содержит второй конденсатор, подключенный к выходу усилителя навстречу петле обратной связи. 6. Схема измерения тока по п.5, отличающаяся тем, что дополнительно содержит средство для коррекции фазы между проинтегрированным сигналом и сигналом, принятым от трансформатора, и содержит пассивный фильтр, подключенный навстречу усилителю. 7. Входная схема для электрического измерителя, содержащая схему измерения напряжения и схему измерения тока по п.1, отличающаяся тем, что содержит пассивный фильтр, установленный навстречу усилителю с возможностью компенсации разности между трактами тока и напряжения, так что схема измерения напряжения может измерять напряжение сети без изменения ее фазы и без элементов фазовой компенсации.