ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2001 года по МПК G01R19/00 G01R19/20 

Предлагаемое техническое решение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для прецизионного измерения амплитуды постоянного и переменного тока, а также во всех видах счетчиков электроэнергии и в автоматизированных системах контроля, управления и распределения электроэнергии.

Увеличение скорости прецизионного измерения постоянного и переменного тока и напряжения с большим динамическим диапазоном измерения амплитуд является в настоящее время одной из актуальных задач метрологии.

Для этой цели в настоящее время широко используются различные датчики-преобразователи амплитуды постоянного и переменного тока или напряжения в частоту следования нормированных по амплитуде импульсов, выполненные на основе различного вида мультивибраторных магнитных датчиков и магнитных модуляторов.

Например, в работе [1] рассматриваются принципы построения магнитных мультивибраторных датчиков относительно малых постоянных токов с одновитковыми входными обмотками. Приводятся результаты исследования датчиков с различными переключающими элементами.

Также широко известны датчики тока на основе магнитных модуляторов [2-6] , в которых на одну из вторичных обмоток подается опорное напряжение высокочастотного возбуждения и, по изменению его параметров в измерительной обмотке, судят о величине тока, протекающего через первичную обмотку.

Недостаток вышеперечисленных датчиков заключается в наличии незначительной паразитной модуляции по длительности, если входное воздействие преобразуется в частотно-импульсное модулированное (ЧИМ) напряжение, и по частоте, если входное воздействие преобразуется в широтно-импульсное модулированное (ШИМ) напряжение, которая приводит к ошибке измерения, что препятствует широкому внедрению таких устройств.

Наиболее близким к предлагаемому измерительному преобразователю является устройство для бесконтактного измерения тока [7], содержащее магнитный модулятор на ферромагнитном сердечнике, входная обмотка которого соединена с источником измеряемого тока, обмотка возбуждения соединена с выходом генератора, сигнальная обмотка соединена с входом реверсивного триггера, выход которого через интегратор соединен с входом усилителя, выход которого через образцовый резистор соединен с компенсационной обмоткой модулятора. Модификация такого устройства приведена в [8].

Наибольшей точностью и простотой реализации обладают устройства измерения тока, в которых используется ЧИМ преобразование, однако ШИМ преобразование наиболее удобно для цифровой обработки сигналов, так как современные контроллеры и процессоры сигналов могут работать с ШИМ сигналами напрямую, без дорогостоящего промежуточного аналого- цифрового преобразования. Следовательно, введение в такие устройства операции преобразования ЧИМ в ШИМ является необходимым и оптимальным решением.

Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении точности и скорости измерений токов и напряжений и в расширении функциональных возможностей измерительного преобразователя.

Указанный результат достигается тем, что в измерительный преобразователь, содержащий датчик-преобразователь тока или напряжения в частотно-модулированные импульсы напряжения, выполненный на ферромагнитном трансформаторе, в котором токовая обмотка соединена с токоограничивающим резистором, обмотка обратной связи, обмотка подмагничивания соединена с источником тока подмагничивания, а обмотка возбуждения соединена с времязадающими входами генератора, выход которого является выходом датчика-преобразователя тока и напряжения, дополнительно введен широтно-импульсный преобразователь, в который входит счетчик- делитель на "n", счетный вход которого соединен с выходом упомянутого генератора, а вход разрешения счета соединен с инверсным выходом асинхронного триггера, вход обнуления и установочный входы которого соединены соответственно с выходом счетчика-делителя на "n" и с выходом управляемого напряжением генератора, управляющий вход которого соединен с выходом устройства "выборка-запоминание", сигнальный вход которого соединен с выходом демодулятора, дифференциальные входы которого соединены с парафазными выходами асинхронного триггера, выходы которого и выход демодулятора являются выходами измерительного преобразователя, при этом выход демодулятора соединен с сигнальным входом выполненного регулируемым усилителя, управляющий вход которого соединен с аналоговым выходом калибратора, импульсный выход которого соединен с управляющим входом устройства "выборка- запоминание", кроме того калибратор имеет вход для переключения внешнего источника команд или синхронизации.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что, для достижения наилучших метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей, известный датчик- преобразователь тока или напряжения в частотно-модулированные импульсы напряжения дополнен широтно-импульсным преобразователем (ШИП), демодулированное напряжение которого используется для автоматической калибровки нуля и для отрицательной обратной связи (ООС), необходимых для обеспечения высокой точности и расширения динамического диапазона измеряемого тока или напряжения.

Сравнение предлагаемого решения с известными показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые, дополняя известные признаки, позволяют успешно реализовать поставленную цель.

На фиг. 1 приведена структурная схема измерительного преобразователя, а на фиг. 2 - эпюры напряжений в основных его точках.

Измерительный преобразователь содержит входные зажимы 1, 2, 3 и 24, ферромагнитный сердечник 4, токовую обмотку 5, компенсационную обмотку 6, обмотку 7 подмагничивания, обмотку возбуждения 8, резистор 9, генератор 10, источник 11 тока подмагничивания, широтно-импульсный преобразователь 12, содержащий счетчик-делитель на "n" 13, асинхронный триггер 14, демодулятор 15, устройство 16 "выборка-запоминание", управляемый напряжением генератор 17, калибратор 18, а также регулируемый усилитель 19 и выходные зажимы 20, 21, 22 и 23.

Предлагаемый измерительный преобразователь (ИП) работает следующим образом:
Входной ток I_вх, создаваемый в токовой обмотке 5 источником тока через зажимы 1 и 2 или источником напряжения через зажимы 1 и 3 и резистор 9, создает в ферромагнитном сердечнике 4 соответствующее его величине и знаку магнитное поле, которое изменяет магнитную проницаемость сердечника 4 пропорционально степени его намагничивания.

Изменение магнитной проницаемости приводит к изменению величины индуктивности катушки возбуждения 8, являющейся времязадающей цепью генератора 10 частотно-модулированных нормированных по амплитуде импульсов напряжения.

Если частота следования выходных импульсов генератора 10 изменяется в больших пределах на несколько порядков, то прецизионная демодуляция таких сигналов представляет определенную трудность, избежать которой можно путем преобразования частотной модуляции в широтную модуляцию с постоянной частотой следования нормированных по амплитуде импульсов.

Для работы с двуполярными сигналами и определения их знака производится постоянное подмагничивание сердечника 4 от источника тока подмагничивания, выходной ток которого пропускается через обмотку подмагничивания 7.

Для расширения динамического диапазона входных сигналов, улучшения линейности амплитудно-частотной характеристики и для уменьшения фазовой ошибки измерений, через обмотку обратной связи 6 пропускается ток ООС регулируемого усилителя (РУ) 19.

В предлагаемом включении эту задачу выполняют элементы широтно-импульсного преобразователя 12 и происходит это следующим образом.

Выходные импульсы напряжения генератора 10 поступают на счетный вход счетчика-делителя 13 на "n" (далее по тексту просто счетчик), при этом на вход "Установка в 0" счетчика поступают высокие или низкие уровни напряжения с асинхронного триггера 14 (далее по тексту просто триггер), обеспечивающие стартстопный режим счета импульсов.

Общая синхронизация всего процесса преобразования частотно-модулированных импульсов в широтно-модулированные осуществляется управляемым напряжением генератором (ГУН) 17.

Передний фронт формируемых ГУН 17 импульсов (фиг. 2, а) является командой "Старт", по которой на прямом выходе триггера 14 устанавливается высокое, а на инверсном низкое состояние, что позволяет счетчику 13 начать отсчет импульсов.

Передний фронт "n"-го импульса (фиг. 2, б) счетчика 13 является командой "Стоп", по которой меняется состояние триггера 14, останавливается счет и обнуляется счетчик 13.

Затем снова следует команда "Старт" и процесс повторяется.

В результате на выходе триггера 14 (фиг. 2, в) формируются широтно-модулированные импульсы напряжения с периодом T, равным периоду импульсов на выходе ГУН 17, и длительностью импульсов τ, равной произведению длительности периода T_г следования импульсов генератора 10 на коэффициент "n" (коэффициент деления счетчика), то есть
τ = T_r•n.
Для прецизионного измерения тока I_вх необходимо иметь строгое однозначное соответствие между значениями измеряемого тока и входным напряжением U_вых демодулятора 15.

Это условие выполняется автоматической установкой оптимального значения периода T_о ГУН 17 при токе I_вх, равном нулю, или, если он не равен нулю, принудительно подавляется его воздействие на генератор 10, на выходе которого на это время устанавливаются свободные колебания.

При отсутствии воздействия I_вх на генератор 10, значение оптимального периода T_о выбирается так, чтобы на выходе счетчика 13 и на обоих выходах триггера 14 установилась одинаковая длительность импульсов, численно равная τ₀, при которой выполняется равенство 2τ₀ = T₀. Это равенство является основным условием автокалибровки нуля напряжения U_вых.

Для прецизионных измерений условие 2τ₀ = T₀ должно выполняться очень жестко. Любая нестабильность или уход параметров элементов ШИП 12 может нарушить это условие, поэтому для стабилизации этого равенства введены такие элементы, как демодулятор 15, устройство "выборка-запоминание" 16 и калибратор 18.

Стабилизация равенства 2τ₀ = T₀ осуществляется путем автоматической подстройки периода следования импульсов ГУН.

Для этого низкочастотная составляющая, несущая информацию об уровне входного воздействия, выделенная демодулятором 15, поступает на сигнальный вход устройства "выборка-запоминание" (УВЗ) 16, на управляющий вход которого с импульсного выхода калибратора 18 последовательно одна за другой поступают команды "Сброс", "Выборка" и "Хранение".

Команда "Сброс" блокирует сигнальный вход УВЗ 16 и обнуляет его содержимое, команда "Выборка" разрешает выборку и запоминание напряжения на сигнальном входе и блокирует выход УВЗ 16, а команда "Хранение" снова блокирует сигнальный вход, а запомненное напряжение поступает на управляющий вход ГУН 17.

Для запоминания напряжения демодулятора без составляющей воздействия входного тока I_вх на токовую катушку 5, необходимо через компенсационную обмотку 6 пропустить противофазный компенсирующий ток I_к.

Ток I_к формируется во время действия команды "Выборка" регулируемым усилителем РУ 19 и калибратором 18 и обеспечивает жесткую ООС, компенсирующую влияние тока I_вх.

На это время калибратор 18 устанавливает максимальный коэффициент усиления РУ 19, так как компенсация воздействия тока I_вх тем лучше, чем больше коэффициент усиления петли ООС, в которой основное усиление обеспечивает РУ 19.

Так как управление генератором 10 осуществляется изменением магнитного потока поля сердечника 4, а магнитные поля, созданные токами I_вх и I_к в обмотках 5 и 6 сердечника 4 во время команды "Выборка", взаимно уничтожаются, следовательно в выходном напряжении будет отсутствовать составляющая, вызванная воздействием тока I_вх на токовую обмотку 5.

Поэтому "запомненное" напряжение УВЗ 16 используется как регулирующее напряжение U_р для перестройки свободных колебаний ГУН 17 в вынужденные колебания с периодом следования T_о, при котором выполняется условие 2τ₀ = T₀ и обеспечивается автоматическая калибровка нуля.

Во время действия команды "Хранение", через компенсационную обмотку 6 протекает ток ООС, формируемый РУ 19 из выходного напряжения U_вых демодулятора 15. Этот ток выполняет функцию регулирующего тока I_р для расширения динамического диапазона входного тока I_вх и для достижения высокой линейности амплитудно-частотной и амплитудно-фазовой характеристик ИП в целом.

Ток I_р, протекая через обмотку 6, создает в сердечнике 4 магнитное поле, которое воздействует на обмотку 7 генератора 10, улучшает стабильность его работы, особенно при воздействии дестабилизирующих факторов и при изменении параметров охваченных ООС элементов ИП.

Как автоматическое устройство, ИП представляет собой двухпетлевую систему автоматического регулирования (CAP), в которой одна петля ООС, в которой основным регулируемым элементом является генератор 10, осуществляет стабилизацию преобразования тока I_вх в частотно- и широтно-модулированные импульсы напряжения и в напряжение, пропорциональное току I_вх, а другая петля ООС, в которой основным регулируемым элементом является ГУН 17, осуществляет стабилизацию параметров ШИП 12 и автокалибровку нуля.

В итоге выходное напряжение U_вых демодулятора 15 в зависимости от изменения длительности τ импульсов принимает следующие значения (фиг. 2, г).

На интервале τ₀<τ≤τ_max напряжение U_вых демодулятора 15 всегда положительно и растет пропорционально увеличению τ относительно τ₀, на интервале τ_min≤τ<τ₀ напряжение U_вых всегда отрицательно и растет по модулю пропорционально уменьшению значения τ относительно значения τ₀, а при значении τ = τ₀, что эквивалентно условию 2τ₀ = T₀, напряжение U_вых будет равно нулю.

Так как величина τ является функцией I_вх, следовательно, и все выходные напряжения, частотно-модулированные импульсы на зажиме 20, модулированные по длительности импульсы на зажимах 21 и 22 и U_вых на зажиме 23, являются функциями входного тока I_вх.

Таким образом осуществляется прецизионное преобразование входного воздействия в ЧИМ, ШИМ и аналоговое напряжения, что обеспечивает работу ИП без согласующих устройств с любым прибором последующей обработки сигналов, а это значительно расширяет функциональные возможности системы измерения.

Для оптимальной калибровки нуля при измерении токов и напряжений, не имеющих естественных переходов через нуль (например, постоянный ток или напряжение) или калибровки нуля по заданной программе, в ИП предусмотрена синхронизация команд "Сброс", "Выборка" и "Хранение" от внешнего источника синхронизации 24 по входу синхронизации калибратора 18.

Автокалибровка, большая чувствительность и высокая частота преобразования ИП позволяют использовать его для измерения тока без разрыва цепи токового провода, подключаясь к нему параллельно как к шунту.

Предложенное техническое решение позволяет не только расширить функциональные возможности, но и значительно повысить чувствительность и скорость измерения ИП без ухудшения его точности.

Источники информации
1. Кармацкий Н. И., Розенблат М.А. Магнитные мультивибраторные датчики постоянных токов. Приборы и системы управления. М., ИПУ РАН, 1995.

2. Андреев Ю. А., Абрамзон Г.В. Преобразователи тока для измерений без разрыва цепи. Л., "Энергия", 1979 г.

3. Патент США N 4529931, G 01 R 19/00, 1985 г.

4. АС СССР N 1684703, G 01 R 19/00, 1989 г.

5. Патент США N 5307008, G 01 R 21/33, 1994 г.

6. Патент РФ N 2138824, G 01 R 19/00, 1998 г.

7. Патент Великобритании N 1488262, GIV, 1977 г.

8. АС СССР N 926601, G 01 R 19/20, 1982 г.

Техническое решение может быть использовано для прецизионного измерения токов, напряжений, мощности и электроэнергии в электросетях, в автоматизированных системах контроля и учета электроэнергии, а также в приборах и аппаратуре энергосбережения. Технический результат применения предлагаемого решения заключается в повышении точности и скорости измерений, а также в расширении функциональных возможностей измерительного преобразователя в широком диапазоне частот измеряемого тока или напряжения. Измерительный преобразователь тока и напряжения представляет собой систему автоматического регулирования выходного сигнала, обеспечивающую минимизацию воздействия дестабилизирующих факторов и автокалибровку нуля в заданные интервалы времени. 2 ил.

Измерительный преобразователь, содержащий датчик-преобразователь тока или напряжения в частотно-модулированные импульсы напряжения, выполненный на ферромагнитном трансформаторе, в котором токовая обмотка соединена с токоограничивающим резистором, компенсационная обмотка соединена с выходом усилителя напряжения обратной связи, обмотка подмагничивания соединена с источником тока подмагничивания, а обмотка возбуждения соединена с времязадающими входами генератора, выход которого является выходом датчика-преобразователя тока и напряжения, отличающийся тем, что дополнительно введен широтно-импульсный преобразователь, в который входит счетчик-делитель на n, счетный вход которого соединен с выходом упомянутого генератора, а вход разрешения счета соединен с инверсным выходом асинхронного триггера, вход обнуления и установочный входы которого соединены соответственно с выходом счетчика-делителя на n и с выходом управляемого напряжением генератора, управляющий вход которого соединен с выходом устройства "выборка-запоминание", сигнальный вход которого соединен с выходом демодулятора, дифференциальные входы которого соединены с парафазными выходами асинхронного триггера, выходы которого и выход демодулятора являются выходами измерительного преобразователя тока или напряжения, при этом выход демодулятора соединен с сигнальным входом выполненного регулируемым усилителя, управляющий вход которого соединен с аналоговым выходом калибратора, импульсный выход которого соединен с управляющим входом устройства "выборка-запоминание", кроме того, калибратор имеет вход для подключения внешнего источника команд или синхронизации.