ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ БОЛЬШОГО ТОКА Российский патент 2001 года по МПК G01R19/02 

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к измерению больших постоянных токов пакета шин.

Известны измерительные преобразователи, предназначенные для измерения постоянных токов (см. Писаревский Э.А. Электрические измерения и приборы. - М.: Энергия, 1970). Основными недостатками известных решений являются низкая точность измерения и низкий предел измеряемых токов.

Известно также устройство для измерения постоянных токов (см. Меерович Э. А. , Андриевская Л.И. Измерение больших постоянных токов с использованием датчиков Холла. - Электричество, 1967, N 9, с. 49-55), содержащее магнитопровод, охватывающий шины с измеряемым током, датчики Холла, расположенные в зазорах магнитопровода, усилитель и размагничивающие обмотки. Недостатком этого аналога является снижение точности измерения из-за влияния полей рассеяния вследствие большой протяженности магнитопровода, что приводит к неравномерности намагничивания магнитопровода.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа измерительный преобразователь (см. патент 1713364, Россия), содержащий немагнитную рамку, охватывающую систему шин с измеряемым током, на которой на равных промежутках размещены n измерительных элементов магнитной индукции, каждый из которых содержит концентратор магнитного поля в виде магнитопровода, в одном зазоре которого, расположенном в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции, создаваемой измеряемым током, размещен датчик Холла, один вывод которого соединен с земляной шиной, а другой - со входом формирователя импульсов, выход которого соединен с первым входом устройства выборки-хранения, генератор пилообразного напряжения, намагничивающую обмотку, один вывод которой через резистор подсоединен к земляной шине, причем точка соединения намагничивающей обмотки и резистора подключена ко второму входу устройства выборки-хранения, выход которого является выходом измерительного элемента магнитной индукции, причем все выходы измерительных элементов магнитной индукции соединены с n входами суммирующего устройства, выход которого является выходом всего преобразователя.

Недостатком прототипа является наличие погрешности в случае наличия пульсаций измеряемого тока, которые возникают после выпрямления приложенного к цепи напряжения. Погрешность имеет место из-за того, что прототип реагирует на различные значения потока от измеряемого тока (точки 1 и 2 на фиг. 1) при соседних импульсах пилообразного компенсирующего тока, протекающего по намагничивающей обмотке. Эту погрешность можно устранить, если устройство будет реагировать на среднее значение потока Φ_0ср.

Сущность изобретения состоит в стремлении получить технический результат, заключающийся в повышении точности работы измерительного преобразователя. Указанный технический результат достигается тем, что в известном измерительном преобразователе большого тока особенность заключается в том, что в него введены: сумматор напряжений на основе операционного усилителя и усилитель мощности, которые входят в состав каждого измерительного элемента магнитной индукции (ИЭМИ), а также датчик переменной составляющей тока, который расположен на немагнитной рамке и выполнен в виде трансформатора тока с одной вторичной обмоткой, намотанной на ферромагнитном сердечнике, и преобразователь ток-напряжение на основе операционного усилителя, причем выход сумматора напряжений через усилитель мощности подсоединен к другому выводу намагничивающей обмотки, а датчик переменной составляющей тока включен между земляной шиной и входом преобразователя ток-напряжение, выход которого соединен с другим входом сумматора напряжений, а также с соответствующими входами сумматоров напряжений других (n-1) ИЭМИ.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 поясняется возникновение погрешности при пульсациях измеряемого тока; на фиг. 2 представлена схема размещения измерительных элементов; на фиг. 3 - функциональная схема измерительного элемента; на фиг. 4 - пример выполнения устройства выборки-хранения; на фиг. 5 - датчик переменной составляющей тока.

Преобразователь содержит измерительные элементы магнитной индукции 1, размещенные на немагнитной рамке 2 и образующие контур интегрирования, охватывающий пакет шин 3 (фиг. 2).

Функциональная схема измерительного элемента магнитной индукции (ИЭМИ) (фиг. 3) содержит магнитопровод 4 с датчиком Холла 5 в зазоре, расположенном в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции. Генератор пилообразного напряжения 6 подсоединен к одному из входов сумматора напряжений 7 на основе операционного усилителя, который через усилитель мощности 8, намагничивающую обмотку 9 и резистор 10 соединен с земляной шиной. Общая точка намагничивающей обмотки 9 и резистора 10 соединена с первым входом устройства выборки-хранения (УВХ) 11. Датчик Холла 5 соединен со входом формирователя импульсов 12, выход которого соединен со вторым входом УВХ 11. Датчик переменной составляющей тока 13, выполненный в виде трансформатора тока с одной вторичной обмоткой, намотанной на ферромагнитном сердечнике (фиг. 5), через преобразователь ток-напряжение 14 соединен с другим входом сумматора напряжений 7. Выход УВХ 11, являющийся выходом ИЭМИ, подключен ко входу суммирующего устройства 15. На другие входы суммирующего устройства 15 поступают сигналы от других ИЭМИ.

Измерительный преобразователь работает следующим образом.

Измеряемый ток I пакета шин 3 (фиг. 2) определяется по закону полного тока выражением:
(1)
где B_t - тангенциальная составляющая магнитной индукции в точках k размещения измерительных элементов; n - число измерительных элементов; K - постоянный коэффициент пропорциональности, обусловленный тем, что магнитная индукция измеряется лишь в некоторых точках вокруг шин.

Измерительные элементы (фиг. 3) работают следующим образом.

Для концентрации магнитного потока в точках измерения служит магнитопровод 4. Напряжение пилообразной формы с выхода генератора 6, подаваемое через сумматор 7 и усилитель 8, приложено к обмотке 9, ток которой создает в магнитопроводе 4 магнитный поток Φ_p (фиг. 1). Этот поток в течение одного полупериода направлен в части магнитопровода с датчиком Холла навстречу потоку Φ₀ (фиг. 1), который пропорционален измеряемому току. При равенстве этих потоков:
Φ_p = Φ₀, (2)
что фиксируется с помощью датчика Холла 5, формирователь импульсов 12 генерирует короткий импульс, подаваемый на вход управления (вход 2) УВХ 11, которое запоминает значение U_R падения напряжения на резисторе 10, подаваемого на вход 1 УВХ 11, которое пропорционально току обмотки 9, который в свою очередь пропорционален потоку Φ_p. Таким образом, при условии (2), напряжение U_R пропорционально потоку Φ₀, а следовательно, измеряемому току.

Но при наличии пульсаций тока возникает погрешность измерения из-за того, что при соседних импульсах компенсирующего потока компенсация может происходить при разных значениях потока Φ₀ (фиг. 1), что приводит в колебаниям выходного сигнала измерительного преобразователя. Для устранения этой погрешности на рамке 2 (фиг. 1) размещается датчик переменной составляющей тока 13, подключенный к преобразователю ток-напряжение 14. На его входных зажимах напряжение равно нулю, поэтому датчик 13 работает в режиме короткого замыкания, т. е. в режиме трансформатора тока. На выходе датчика индуктируется переменная составляющая тока, пропорциональная переменной составляющей измеряемого тока. Напряжение с выхода преобразователя 14 через сумматор напряжений 7 и усилитель 8 подводится к обмотке 9. Полярность этого напряжения выбирается такой, чтобы происходила компенсация переменной составляющей магнитного потока от измеряемого тока в магнитопроводе 4, что также достигается соответствующим выбором коэффициентов передачи сумматора 7. С выхода преобразователя 14 напряжение подается также на сумматоры напряжений других ИЭМИ. В итоге измерительный преобразователь тока реагирует на среднее значение потока Φ_0ср (фиг. 1), что повышает точность измерения тока.

Устройство выборки-хранения 11 может быть выполнено по схеме, которая приведена на фиг. 4 и работает следующим образом. При приходе кратковременного управляющего импульса с формирователя 12 на второй вход "Вх.2" устройства 11 ключ Кл открывается и напряжение с резистора 10, подаваемое на первый вход "Bx.1" устройства 11, запоминается на конденсаторе C. Это напряжение подается на повторитель 11, выход которого является выходом устройства 11.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о том, что средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Изобретение предназначено, в частности, для измерения больших постоянных токов. Технический результат заключается в повышении точности измерения за счет снижения влияний пульсаций измеряемого тока. С этой целью устройство снабжено датчиком переменной составляющей тока в виде трансформатора тока, с помощью выходного сигнала которого производится компенсация переменной составляющей измеряемого тока. 5 ил.

Измерительный преобразователь большого тока, содержащий немагнитную рамку, охватывающую систему шин с измеряемым током, на которой на равных промежутках размещены n измерительных элементов магнитной индукции, каждый из которых содержит концентратор магнитного поля в виде магнитопровода, в одном зазоре которого, расположенном в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции, создаваемой измеряемым током, размещен датчик Холла, один вывод которого соединен с земляной шиной, другой - с входом формирователя импульсов, выход которого соединен с первым входом устройства выборки-хранения, генератор пилообразного напряжения, намагничивающую обмотку, один вывод которой через резистор подсоединен к земляной шине, причем точка соединения намагничивающей обмотки и резистора подключена ко второму входу устройства выборки-хранения, выход которого является выходом измерительного элемента магнитной индукции, причем выходы всех измерительных элементов магнитной индукции соединены с n входами суммирующего устройства, выход которого является выходом всего преобразователя, отличающийся тем, что генератор пилообразного напряжения подсоединен к одному из входов сумматора напряжений, в измерительный преобразователь введены сумматор напряжений на основе операционного усилителя и измеритель мощности, которые входят в состав каждого измерительного элемента магнитной индукции, а также датчик переменной составляющей тока, который расположен на немагнитной рамке и выполнен в виде трансформатора тока с одной вторичной обмоткой, намотанной на ферромагнитном сердечнике, и преобразователь ток-напряжение на основе операционного усилителя, причем выход сумматора напряжений через усилитель мощности подсоединен к другому выводу намагничивающей обмотки, а датчик переменной составляющей тока включен между земляной шиной и входом преобразователя ток-напряжение, выход которого соединен с другим входом сумматора напряжений, а также с соответствующими входами сумматоров напряжений других (n-1) измерительных элементов магнитной индукции, причем коэффициент передачи сумматора выбирается такой, чтобы происходила компенсация переменной составляющей магнитного потока от измеряемого тока в магнитопроводе.