ДАТЧИК ТОКА Российский патент 2002 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования в цепях измерения переменных токов. Изобретение способно заменить широко используемые в настоящее время для этой цели измерительные трансформаторы тока.

Известен датчик тока [G 01 R 19/00, 10.01.95, БИ 1, 2026558], содержащий ферромагнитный сердечник с обмотками, усилитель, короткозамкнутые обмотки, регистрирующий прибор. Но датчик тока имеет такие нежелательные особенности, как наличие большой индуктивности вторичной обмотки, создаваемой за счет намотки десятков тысяч витков медного провода на ферромагнитный сердечник, выполненный из специальной стали с большим значением индукции, что делает устройство материалоемким, а значит, и дорогим.

Наиболее близким к заявленному устройству является датчик тока, который используется в составе измерителя мощности (ANALOG DEVICES, AN-559, APPLICATION NOTE, World Wide Web Site: http://www.analog. com/techsupt/application_notes/AN559.pdf) и включает в себя шунт, изготовленный в виде манганинового цилиндра с необходимыми выводами (Figure 10), подключенными через две индуктивности, два резистора, два конденсатора к операционному усилителю, корректор фазы (PHASE CORRECTION) и фильтр верхних частот (HPF). Операционный усилитель, корректор фазы и фильтр верхних частот входят в состав микросхемы AD7755 в соответствии с FUNCTIONAL BLOCK DIAGRAM (ANALOG DEVICES, AD7755, World Wide Web Site:http://www.analog. com/techsupt/application_ notes/AD7755_ T.pdf), с помощью которой реализован измеритель мощности AN-559.

Недостатком этого датчика тока является то, что компенсация влияния паразитной индуктивности шунта на точность измерения тока достигается относительно сложно: необходимы две корректирующие индуктивности, резисторы, конденсаторы, подобранные по номиналам с высокой точностью и обладающие малыми температурными коэффициентами. Кроме того, малым температурным коэффициентом сопротивления должен обладать материал, из которого выполнен шунт, так как при прохождении через него тока он будет нагреваться и увеличивать свое сопротивление. А так как напряжение, снимаемое с шунта пропорционально сопротивлению и измеряемому току, протекающему через шунт, то при измерении тока будет вноситься погрешность измеряемого тока, пропорциональная изменению сопротивления шунта. К тому же следует учесть, что использование фазового корректора и фильтра верхних частот в цифровом виде в AD7755 требует дополнительных программных средств, а значит и время на вычисление для обеспечения требуемой фазовой коррекции и фильтрации.

В основу изобретения положена задача увеличения точности измерения тока при измерении падения напряжения на сопротивлении шунта. Так как шунт имеет как омическое сопротивление, которое при протекании через него измеряемого тока увеличивается пропорционально увеличению температуры материала шунта в связи с его нагреванием, так и паразитное индуктивное сопротивление, то увеличение точности измерения тока достигается посредством компенсации прироста напряжения на шунте и компенсации паразитного индуктивного сопротивления шунта.

Постановленная задача решается тем, что в датчик тока, содержащий шунт, который через токовые вход и выход включен последовательно в цепь измеряемого тока, первый и второй резисторы, операционный усилитель, введен проволочный резистор, один из выводов которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и одновременно через первый резистор с его выходом, являющимся выходом датчика тока, неинвертирующий вход операционного усилителя через второй резистор соединен с общей шиной, второй вывод проволочного резистора подключен к токовому входу шунта, а токовый выход шунта соединен с общей шиной, при этом шунт датчика тока выполнен в виде n изолированных между собой, расположенных параллельно друг другу пластин П-образной формы одинаковых размеров, причем входы и выходы всех пластин, являющиеся соответственно токовыми входом и выходом шунта, соединены между собой таким образом, чтобы направления токов, протекающих в соседних пластинах, были взаимно противоположны, проволочный резистор выполнен в виде обмотки П-образных пластин проводом в плоскости, ортогональной к направлению входного (выходного) тока П-образных пластин, а материал проволочного резистора и П-образных пластин имеет одинаковый температурный коэффициент сопротивления.

На фиг.1 представлена электрическая схема датчика тока, а на фиг.2 приведен вариант построения шунта совместно с проволочным резистором.

Датчик тока включает в себя токовый шунт 1 с входом 2 и выходом 3, операционный усилитель 4, выход которого является выходом датчика тока, проволочный резистор 5, первый 6 и второй 7 резисторы. Неинвертирующий вход операционного усилителя 4 соединен с общей шиной через второй резистор 7, а выход операционного усилителя 4, являющийся выходом датчика тока, соединен через первый резистор 6 с инвертирующим входом 8 операционного усилителя 4, с которым одновременно соединен первый вывод проволочного резистора 5, второй вывод которого соединен с токовым входом 2 шунта 1, вывод 3 которого соединен с общей шиной и является токовым выходом шунта. При этом шунт 1 (фиг. 2), датчика тока выполнен в виде n пластин П-образной формы одинаковых размеров изолированных между собой, расположенных параллельно друг другу, причем входы и выходы всех пластин, являющиеся соответственно токовыми входом 2 и выходом 3 шунта 1, соединены между собой таким образом, чтобы направления токов, протекающих в соседних пластинах, были взаимно противоположны. Проволочный резистор 5 выполнен в виде плотной обмотки П-образных пластин проводом в плоскости, ортогональной к направлению входного (выходного) тока П-образных пластин, причем первый вывод проволочного резистора 5, подключен к входу 8 операционного усилителя 4, второй вывод проволочного резистора 5 подключен к входу 2 шунта 1, а токовый выход 3 шунта 1 одновременно соединен с общей шиной, при этом материалы, используемые для изготовления проволочного резистора 5 и шунта 1, должны иметь одинаковые температурные коэффициенты сопротивлений.

Датчик тока работает следующим образом. При протекании через шунт 1 тока J создается падение напряжения, равное
U_ш=J(R_ш+jX_ш), (1)
где X_ш = ωL_ш - реактивное сопротивление шунта, обусловленное паразитной индуктивностью L_ш (ω - частота измеряемого тока), R_ш - омическое сопротивление шунта 1 протекающему току.

Чтобы измеряемый ток не ответвлялся в резистор 5, сопротивление последнего должно быть существенно больше, чем R_ш (на несколько порядков). Тогда уровень напряжения на выходе датчика тока будет определяться как

где R₅ и X₅ = ωL - активная и реактивная составляющие сопротивления проволочного резистора 5 (индуктивность L образована витками проволочного резистора 5).

При протекании тока через шунт 1 он начинает нагреваться и его сопротивление увеличивается на величину температурного коэффициента сопротивления K_Rt ^o _ш, который определяется материалом шунта, до величины, пропорциональной установившейся температуре t^o на поверхности шунта. И тогда сопротивление шунта 1 будет где R_нш - начальное сопротивление шунта 1 при 18^oС (нормальные условия).

Активная составляющая сопротивления R₅ проволочного резистора 5 соответствует омическому сопротивлению провода, намотанного на шунт 1 (фиг.2). Если материал провода проволочного резистора 5 будет иметь температурный коэффициент сопротивления тогда активная составляющая сопротивления проволочного резистора 5 будет определяться как где R_5н - начальное сопротивление R₅ при 18^oС (нормальные условия), и тогда уровень напряжения на выходе датчика тока согласно (2) будет

Если материалы шунта 1 и провода проволочного резистора 5 будут одинаковы, то отношение будет изменяться несущественно (не более чем на 0,1%) во всем возможном диапазоне изменений температур шунта 1, обусловленных протекающим через шунт 1 током, так как температуры поверхности шунта и провода проволочного резистора 5 будут близки за счет одинаковых линейных размеров поверхностей провода и поверхности шунта (при выполнении условия 2b >> а, где а и b линейные размеры элементов П-образных пластин, фиг.2).

В соответствии с выражением (3), чтобы паразитная индуктивность шунта 1 не вносила при измерении тока фазовых искажений, должно выполняться условие:

а это возможно при Х_ш/R_ш≈X₅/R₅. Учитывая, что X₅ = ωL, а X_ш = ωL_ш, величина индуктивности L будет определяться как L=R₅L_ш/R_ш, где L_ш - паразитная индуктивность шунта.

Число n П-образных пластин выбирается в зависимости от их толщины и величины протекающего через них тока. Так, например, для измеряемого тока не более 50 А достаточно 4-х пластин, снижающих паразитную индуктивность шунта (L_ш) до требуемого значения. При R₅=50 Ом, R_ш=2•10^-3 Ом и L_ш=2•10^-9 Гн необходимое значение индуктивности проволочного резистора 5 будет равно L= 50•10^-6 Гн, а это физически реализуемая индуктивность, которую имеет проволочный резистор 5.

Использование: в электроизмерительной технике при измерении переменных токов и в измерителях мощности промышленной частоты. Технический результат - увеличение точности измерения тока за счет компенсации прироста напряжения на шунте, вызванном увеличением омического сопротивления при его нагреве, и компенсации паразитного индуктивного сопротивления шунта. Проволочный резистор включен между токовым входом шунта и инвертирующим входом операционного усилителя. Шунт датчика тока выполнен в виде n изолированных между собой, расположенных параллельно друг другу пластин П-образной формы одинаковых размеров. Входы и выходы всех пластин, являющиеся соответственно токовыми входом и выходом шунта, соединены между собой так, чтобы направления токов, протекающих в соседних пластинах, были взаимно противоположны. Проволочный резистор выполнен в виде обмотки П-образных пластин проводом в плоскости, ортогональной к направлению тока П-образных пластин. Материалы, используемые для изготовления проволочного резистора и П-образных пластин, должны иметь одинаковый температурный коэффициент сопротивления. 2 ил.

Датчик тока, содержащий шунт, который через токовые вход и выход включен последовательно в цепь измеряемого тока, первый и второй резисторы, операционный усилитель, отличающийся тем, что в него введен проволочный резистор, один из выводов которого соединен с инвертирующим входом операционного усилителя и одновременно через первый резистор с его входом, являющимся выходом датчика тока, инвертирующий вход операционного усилителя через второй резистор соединен с общей шиной, второй вывод проволочного резистора подключен к токовому входу шунта, а токовый выход шунта соединен с общей шиной, при этом шунт датчика тока выполнен в виде n изолированных между собой, расположенных параллельно друг другу П-образных пластин одинаковых размеров, причем входы и выходы всех П-образных пластин, являющиеся соответственно токовыми входом и выходом шунта, соединены между собой так, чтобы направления токов, протекающих в соседних пластинах, были взаимно противоположны, проволочный резистор выполнен в виде обмотки П-образных пластин проводом в плоскости, ортогональной к направлению входного/выходного тока П-образных пластин, при этом материал проволочного резистора и П-образных пластин имеет одинаковый температурный коэффициент сопротивления.