УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА ПАКЕТА ШИН Российский патент 2001 года по МПК G01R19/02 H02H7/22 

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 использование 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 выбранное в качестве прототипа устройство для измерения тока пакета шин (см. патент 1713364, Россия), содержащее 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, формирователь импульсов, выход которого соединен с первым входом устройства выборки-хранения; генератор пилообразного напряжения, подключенный через намагничивающую обмотку и резистор 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 входами сумматора, выход которого является выходом всего устройства.

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 устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для измерения тока пакета шин особенность заключается в том, что в него введены повторитель напряжения и суммирующий усилитель на основе операционных усилителей, которые входят в состав каждого измерительного элемента магнитной индукции, а также датчик переменной составляющей тока в виде трансформатора тока и преобразователь ток-напряжение на основе операционного усилителя, причем второй вывод датчика Холла соединен через повторитель напряжения с одним из входов суммирующего усилителя, выход которого подключен ко входу формирователя импульсов, датчик переменной составляющей тока включен между земляной шиной и входом преобразователя ток-напряжение, выход которого соединен с другим входом суммирующего усилителя, а также с соответствующими входами суммирующих усилителей других (n-1) измерительных элементов магнитной индукции.

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 чертежах представлено: фиг. 1 - поясняет возникновение погрешности при пульсациях измеряемого тока; на фиг. 2 - 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.

Устройство 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 через намагничивающую обмотку 7 и резистор 8 соединен с земляной шиной. Общая точка намагничивающей обмотки 7 и резистора 8 соединена со вторым входом устройства выборки-хранения (УВХ) 9. Выход формирователя импульсов 10 соединен с первым входом УВХ 9. Один вывод датчика Холла 5 заземлен, а другой через повторитель напряжения 11 соединен с одним из входов суммирующего усилителя 12, выход которого подключен ко входу формирователя импульсов 10. 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 суммирующего усилителя 12. Выход УВХ 9, являющийся выходом ИЭМИ, подается на вход сумматора 15. На другие входы сумматора поступают сигналы от других ИЭМИ.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемый ток I пакета шин 3 (фиг. 2) определяется по закону полного тока выражением:

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. Переменный ток генератора 6, протекая по обмотке 7, 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 10 генерирует короткий импульс, подаваемый на вход управления (вход 2) УВХ 9, которое запоминает значение U_R падения напряжения на резисторе 8, подаваемого на вход 1 УВХ 9, которое пропорционально току обмотки 7, 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 выражается в колебаниях выходного сигнала устройства. 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. Напряжения с выхода преобразователя 14 и повторителя 11 (оно также содержит составляющую, пропорциональную переменной составляющей измеряемого тока, благодаря выходному напряжению датчика Холла 5) подаются на суммирующий усилитель 12. Полярность этих напряжений выбирается такой, что на выходе суммирующего усилителя 12 происходит компенсация переменной составляющей, что также достигается соответствующим выбором коэффициентов передачи суммирующего усилителя. С выхода преобразователя 14 напряжение подается на суммирующие усилители других ИЭМИ. В итоге устройство реагирует на среднее значение потока φ_0ср (фиг. 1), что повышает точность измерения тока.

Устройство выборки-хранения 9 может быть выполнено по схеме, которая приведена на фиг. 4 и работает следующим образом. При приходе кратковременного управляющего импульса с формирователя 10 на первый вход Вх.1 устройства 9 ключ Кл открывается, и напряжение с резистора 8, подаваемое на второй вход Вх.2 устройства 9, запоминается на конденсаторе C. Это напряжение подается на повторитель П, выход которого является выходом устройства 9.

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".

Использование: в электроизмерительной технике для измерения больших постоянных токов. Технический результат заключается в повышении точности работы устройства. Заявленный технический результат достигается за счет снижения пульсаций тока. С этой целью устройство снабжено датчиком переменной составляющего тока в виде трансформатора тока, с помощью выходного сигнала которого производится компенсация сигнала от переменной составляющей измеряемого тока в выходном напряжении датчика Холла. Датчик переменной составляющей тока включен между земляной шиной и входом преобразователя ток - напряжение. Повторитель напряжения и суммирующий усилитель входят в состав каждого измерительного элемента магнитной индукции. 5 ил.

Устройство для измерения тока пакета шин, содержащее 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, формирователь импульсов, выход которого соединен с первым входом устройства выборки-хранения; генератор пилообразного напряжения, подключенный через намагничивающую обмотку и резистор 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 входами сумматора, выход которого является выходом всего устройства, отличающееся тем, что в устройство введены повторитель напряжения и суммирующий усилитель на основе операционных усилителей, которые входят в состав каждого измерительного элемента магнитной индукции, а также датчик переменной составляющей тока в виде трансформатора тока с одной вторичной обмоткой, намотанной на ферромагнитном сердечнике, и преобразователь ток - напряжение на основе операционного усилителя, причем второй вывод датчика Холла соединен через повторитель напряжения с одним из входов суммирующего усилителя, выход которого подключен ко входу формирователя импульсов, датчик переменной составляющей тока включен между земляной шиной и входом преобразователя ток - напряжение, выход которого соединен с другим входом суммирующего усилителя, а также с соответствующими входами суммирующих усилителей других n-1 измерительных элементов магнитной индукции, причем коэффициент передачи суммирующего усилителя выбирается такой, чтобы на его входе происходила компенсация переменной составляющей напряжений, подаваемых на его вход.