СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2002 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к области электрических и магнитных измерений, в частности к измерениям больших постоянных токов, используемых в химической и металлургической промышленности.

Известны способы измерения постоянных токов (см. Писаревский Э.А. Электрические измерения и приборы. - М.: Энергия, 1970). Основными недостатками известного решения являются низкая точность и узкий диапазон измеряемых токов.

Известен также способ, описанный в статье Мееровича Э.А., Андриевской Л. И. "Измерение больших постоянных токов с использованием датчиков Холла". Электричество, 1967, 9, с. 49-55. Сущность способа заключается в сравнении с помощью магнитопровода намагничивающих сил от измеряемого тока и тока компенсационной обмотки.

Недостатком этого аналога можно считать то, что большая протяженность магнитопровода, охватывающего токопровод, приводит к возникновению больших полей рассеяния, а значит - к неравномерности намагничивания магнитопровода. Поэтому токи компенсационной обмотки не полностью размагничивают сердечник, что снижает точность измерения. Кроме этого, к недостаткам можно отнести большой вес и расход материалов в устройствах, реализующих данный способ.

Наиболее близким способом того же назначения к предлагаемому изобретению по совокупности признаков является способ измерения постоянного тока, заключающийся в использовании немагнитного контура интегрирования, в котором измеряемый ток оценивают суммой напряженностей, измеряемых в n точках контура интегрирования, охватывающего пакет шин (см. патент 2108589 "Способ измерения больших постоянных токов", Россия, опубл. 10.04.98, бюл. 10), принятый за прототип.

Недостатком известного способа является трудность оптимального выбора количества точек измерения в зависимости от уровня требуемых методических погрешностей измерения тока. Дело в том, что количество точек измерения (ТИ) и форма контура интегрирования при реализации прототипа выбираются из условия получения минимальных погрешностей от изменения формы сечения и размеров токопроводов, но при этом не конкретизируется количество ТИ, необходимое для получения той или иной погрешности измерения тока. Это в ряде случаев приводит либо к усложнению конструкции устройства, реализующего прототип, при использовании большого количества ТИ, когда нет необходимости получать малые погрешности измерения, либо к снижению точности измерения тока, когда для получения малых погрешностей необходимо увеличение количества ТИ по сравнению с приведенными в описании прототипа значениями.

Сущностью изобретения является оптимальный выбор количества точек измерения в зависимости от требуемых методических погрешностей измерения тока. При осуществлении изобретения может быть получен технический результат, заключающийся либо в повышении точности измерения тока, либо в упрощении конструкции устройства, реализующего данный способ.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе, в котором измеряемый ток оценивают суммой напряженностей или индукций, измеряемых в n точках контура интегрирования круглой формы, охватывающего токопровод, при равномерном расположении точек измерения, особенность заключается в том, что количество n точек измерения при заданной относительной погрешности измерения тока выбирают на основании определения кривой распределения напряженности магнитного поля измеряемого тока вдоль контура интегрирования, разложении полученной кривой в ряд Фурье, представляющем собой сумму постоянной составляющей и гармоник, определения весов каждой гармоники ряда относительно постоянной составляющей, причем при совпадении заданной погрешности и веса k-й гармоники принимают n=k.

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 способе, 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 способа. 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 изображено взаимное расположение токопровода и контура интегрирования; на фиг. 2 показано распределение напряженности магнитного поля вдоль контура интегрирования; на фиг.3 приведены графики, поясняющие предлагаемый способ измерения постоянного тока.

Заявляемый способ измерения постоянного тока основан на использовании закона полного тока в дискретной форме и может быть реализован с помощью выполнения контура интегрирования 1 в виде рамы или пояса из неферромагнитного материала (например, стеклопластика) (фиг.1). Он охватывает токопровод 2 и может иметь различную форму. На контуре 1 в точках 3 располагаются измерительные элементы на основе датчиков магнитного поля (например, датчиков Холла). Для получения информации об измеряемом токе производится суммирование сигналов с помощью сумматора (на фиг. 1 не показан). В итоге выходной сигнал сумматора, а следовательно, всего устройства, будет пропорционален измеряемому току I:

- тангенциальная составляющая напряженности магнитного поля измеряемого тока в точке i расположения элемента; К - коэффициент пропорциональности.

Для снабжения мощных потребителей электроэнергией используются токопроводы квадратного или прямоугольного сечения, выполняемые часто в виде пакетов шин. При этом вследствие использования ограниченного количества ТИ, в общем случае следует ожидать зависимости коэффициента K в выражении (1) от формы и размеров сечения токопровода, от количества шин в пакете, а также от формы контура интегрирования (под последней понимается форма поверхности, ограничиваемая контуром). Эти факторы приводят к методической погрешности ε_ф измерения тока при использовании данного способа, которую можно назвать погрешностью формы.

Погрешность формы ε_ф снижается при увеличении числа ТИ, поскольку при n _→ ∞ формула (1) переходит в известный закон полного тока:

где l - длина контура интегрирования.

В общем случае распределение напряженности магнитного поля вдоль контура интегрирования можно представить в виде некоторой функции от координаты x:H_x = f(x), где H_x = H_τ. Например, для круглого контура интегрирования и токопровода квадратного сечения эта функция имеет вид, показанный на фиг.2. Отметим, что функцию H_x=f(x) можно получить либо экспериментально, либо аналитически, что поясняется ниже.

Анализ показывает, что оптимальное количество ТИ можно определить следующим образом. Период функции, равный 2π на протяжении длины контура l, необходимо разбить на m равных интервалов Δx = 2π/m (фиг.2) и определить текущее значение координаты х в каждом интервале:
x_i = 0,5Δx+Δx(i-l), (3)
где i - индекс, принимающий значения от 1 до m. Далее по известным формулам (см. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. М.: Высшая школа, 1973. - С.229) определяются коэффициенты ряда Фурье:

постоянная составляющая;

амплитуда синусной составляющей k-й гармоники;

амплитуда косинусной составляющей k-й гармоники.

В формулах (4-6) - значение напряженности, определяемое в середине каждого интервала (3) (фиг.2).

Амплитудное значение k-й гармоники можно найти также по известной формуле:

Анализ показал, что вес каждой гармоники относительно постоянной составляющей

несет информацию о погрешности формы, т.е.

λ_k ≈ ε_ф, (9)
когда n=k. При этом погрешность формы определяется относительно случая, когда измеряемый ток протекает по линейному токопроводу:

где H_Σ - напряженность магнитного поля при протекании тока по реальному токопроводу; HлΣ

- напряженность магнитного поля при протекании тока по линейному токопроводу (его сечение стянуто в точку). Для примера на фиг.3 приведены графики, иллюстрирующие выражение (9): фиг.3, а - для одной шины в пакете, а фиг. 3, б - для четырех шин в пакете. Как видно, кривые для погрешности формы ε_ф и веса λ_k практически совпадают.

Полученный результат позволяет воспользоваться вышеизложенным алгоритмом для определения веса гармоники (8), а при совпадении веса с требуемым значением погрешности формы можно определить необходимое количество ТИ:
n=k, (11)
где k - номер той гармоники, значение веса которой совпадает с требуемым значением методической погрешности измерения тока. Это позволяет, в отличие от прототипа, найти оптимальное количество ТИ в зависимости от заданных погрешностей измерения тока.

Если устройство для измерения тока, реализующее предлагаемый способ, предполагается использовать при токопроводах различного сечения, то при определении количества ТИ ориентироваться нужно на наихудший случай, дающий наибольшее значение n.

Как отмечалось, функцию Н_x=f(х) можно получить либо экспериментально, либо аналитически. При этом обратим внимание на важный момент: нет необходимости очень точного определения этой функции, поскольку вполне допустимо несоответствие между погрешностью формы и весом гармоники (см. выражение (9)) в пределах нескольких десятков процентов, т.к. оно имеет более высокий порядок малости по сравнению с самими этими величинами. На основании этого положения при экспериментальном определении функции Н_х=f(х) можно использовать систему из N непрецизионных измерителей напряженности магнитного поля, размещаемых вокруг токопровода, причем достаточно обеспечить, чтобы N= 10. ..20. Можно также использовать меньшее количество измерителей, перемещая их после каждого измерения вдоль контура интегрирования на некоторый шаг, что увеличивает в итоге количество ТИ. Однако последний вариант применим, когда ток остается стабильным в течение всего цикла измерения.

При аналитическом определении функции H_x=f(x), при заданных размерах токопровода (пакета шин), можно использовать, например, известные аналитические выражения, описывающие распределение магнитного поля вокруг токопровода (см. Казаков М.К. Использование закона полного тока в дискретной форме для измерения больших постоянных токов // Электричество. - 9. - 1997. - С. 56-63).

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

Использование: в области электрических и магнитных измерений, в частности при измерении больших постоянных токов, используемых в химической и металлургической промышленности. Технический результат заключается в повышении точности измерения тока. Для обеспечения оптимального определения количества n точек измерения напряженности магнитного поля измеряемого тока, на основе использования закона полного тока в дискретной форме, предлагается определить функцию распределения напряженности вдоль контура интегрирования, разложить ее в ряд Фурье и определить веса каждой гармоники ряда относительно постоянной составляющей. При совпадении веса k-й гармоники и требуемой методической погрешности измерения тока принимают n=k. 3 ил.

Способ измерения постоянного тока, заключающийся в том, что измеряемый ток оценивают суммой напряженностей или индукций, измеряемых в n точках контура интегрирования круглой формы, охватывающего токопровод, при равномерном расположении точек измерения, отличающийся тем, что количество n точек измерения при заданной относительной погрешности измерения тока выбирают на основании определения кривой распределения напряженности магнитного поля измеряемого тока вдоль контура интегрирования, разложении полученной кривой в ряд Фурье, представляющем собой сумму постоянной составляющей и гармоник, определения весов каждой гармоники ряда относительно постоянной составляющей, причем при совпадении заданной погрешности и веса k-й гармоники принимают n=k.