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

Изобретение относится к приборостроению, а конкретно к электроизмерительной технике, и может быть использовано для испытаний обмоток электрических и электромеханических изделий на целостность, а также для контроля на целостность кабельных линий связи.

Известное устройство, выбранное в качестве аналога "Способ измерения постоянного тока и устройство для его реализации", описанный в патенте США 5814983, кл. G 01 R 33/00, содержит генератор, одновибраторы, схему выборки и хранения, R-S-триггер и магнитонасыщающийся датчик с тремя обмотками, первая из которых предназначена для измеряемого постоянного тока, вторая - для тока смещения и третья - для генерирования импульсного тока. При протекании измеряемого постоянного тока по первому проводнику магнитопровод из ненасыщенного состояния переходит в насыщенное. При этом из тока третьей обмотки, приведенного в первой обмотке, вычитают ток обмотки смещения. Результат разности есть величина измеряемого тока.

К недостатку аналога следует отнести:
- отсутствие защиты от помех, наводимых в первой обмотке устройства;
- сложность схемотехнического исполнения устройства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту к заявленному устройству является выбранное в качестве прототипа "Устройство для измерения постоянного тока", описанное в патенте Японии 2816175, кл. G 01 R 19/00.

Устройство для измерения постоянного тока содержит проводник постоянного тока, проходящий через магнитопровод с обмоткой, начало которой соединено с одним из выводов первого конденсатора, а второй вывод конденсатора через резистор, с которого снимается полезный сигнал, подключен на вход генератора.

При протекании постоянного тока через проводник магнитопровод устройства входит в насыщение, в результате чего изменяется индуктивность обмотки и, как следствие, меняется частота генератора. По изменению временного сдвига рабочего сигнала, снимаемого с резистора, по отношению к опорному сигналу судят о величине протекающего постоянного тока.

При испытании обмоток электротехнических изделий, в частности обмоток электроклапанов или пиросредств изделий ракетно-космической техники (РКТ), на целостность используют слабый безопасный ток 5-20 мА. Кроме того, процесс испытаний элементов автоматики на целостность осуществляется во время, когда проходят испытания другие более мощные потребители энергии, которые создают неблагоприятную помехообстановку на изделии РКТ. Если использовать прототип для этих целей, то наведенную от других потребителей помеху он будет принимать за полезный сигнал. В результате этого снижается достоверность его работы.

Недостатком прототипа является отсутствие помехозащищенности при измерении постоянного тока.

Техническим результатом изобретения является обеспечение помехозащищенности устройства при измерении постоянного тока.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для измерения постоянного тока, содержащем проводник постоянного тока, проходящий через магнитопровод с обмоткой, начало которой соединено с одним из выводов первого конденсатора, в отличие от прототипа, другой вывод первого конденсатора соединен с землей, а конец обмотки магнитопровода соединен через второй конденсатор с землей и с выходом инвертора, вход которого соединен с началом обмотки магнитопровода и через согласующий элемент соединен с пороговым устройством, выход которого через последовательно соединенные накопитель импульсов и формирователь дискретного уровня соединен с выводом устройства.

Существо изобретения заключается в следующем. При проведении испытаний мощного потребителя на изделии РКТ в цепи управления электроклапаном или пиросредством, в котором установлено устройство для измерения постоянного тока, может возникнуть наведенная от этого потребителя помеха. Эта короткая по длительности помеха, введя в насыщение магнитопровод устройства, сформирует короткую серию импульсов на вход накопителя импульсов. Короткая серия импульсов на выходе накопителя импульсов сформирует напряжение накопления импульсов, величина которого будет недостаточной для переключения формирователя дискретного уровня. Откуда следует, что наведенной в цепи измерения постоянного тока помехой заявленным устройством не будет сформирован ложный сигнал.

Таким образом, совокупность признаков, характеризующих соединение порогового устройства и формирователя дискретного уровня через накопитель импульсов, который блокирует сигнал помехи, обеспечивается помехозащищенность заявленного устройства.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства измерения постоянного тока.

На фиг. 2 представлена электрическая принципиальная схема примера конкретного исполнения устройства согласно фиг.1.

На фиг. 3 представлены временные диаграммы функционирования устройства согласно фиг.2.

Представленная на фиг.1 функциональная схема устройства измерения постоянного тока содержит проводник 1 постоянного тока, проходящий через магнитопровод 2 с обмоткой 3, которая включена между входом и выходом инвертора 4, переводя его в активный режим работы. Причем вход и выход инвертора 4 через конденсаторы 5, 6 соответственно подключены к земле. Вход инвертора через согласующий 7 элемент подключен к входу порогового 8 устройства, выход которого через последовательно соединенные накопитель 9 импульсов и формирователь 10 дискретного уровня соединен с выводом 11 устройства.

Магнитопровод 2 с обмоткой 3, инвертор 4 и конденсаторы 5, 6 предназначены для образования автогенератора с управляемой по постоянному току индуктивностью. Согласующий 7 элемент предназначен для согласования по нагрузке обозначенного выше автогенератора и порогового 8 устройства, которое предназначено для измерения значения постоянного тока. Накопитель 9 импульсов предназначен для преобразования последовательности импульсов в линейно возрастающее напряжение накопления импульсов. Формирователь 10 дискретного уровня предназначен для блокирования измеренного тока помехи.

Устройство работает следующим образом.

При подаче напряжения питания автогенератор запускается. Причем конденсаторы 5 и 6 работают в противофазе, обеспечивая пропускание импульсного тока через обмотку 3, включенную в обратную связь инвертора 4. При этом обмотка 3 и конденсаторы 5 и 6 являются времязадающими элементами обозначенного автогенератора. Импульсная или переменная составляющая напряжения с начала обмотки 3 через согласующий 7 элемент поступает на вход порогового 8 устройства. Порог срабатывания порогового 8 устройства настроен таким образом, что поступающее от обмотки 3 с ненасыщенным сердечником 2 напряжение не переключает пороговое 8 устройство. И наоборот, поступающее от обмотки 3 с насыщенным сердечником 2 напряжение переключает устройство 8, чем объясняется измерение постоянного тока в проводнике 1. Для примера в качестве проводника 1 постоянного тока, в котором нужно измерить его значение, рассмотрим цепь управления электроклапаном или пиросредством. Требования обеспечения безопасности проводимых работ с элементами автоматики при их испытании на целостность предписывают использование безопасных токов, порядка 5-20 мА. При протекании по проводнику 1 постоянного тока, например 5 мА, магнитопровод 2 входит в насыщение, что способствует существенному уменьшению индуктивности его обмотки 3. В результате этого увеличивается частота и амплитуда напряжения в обмотке 3. Увеличенное по амплитуде напряжение через согласующий 7 элемент поступает на вход порогового 8 устройства и переключает его, формируя на его выходе последовательность импульсов. Длина последовательности импульсов определяется длиной импульса постоянного тока. По мере поступления импульсов на вход накопителя 9 импульсов с его выхода будет формироваться линейно нарастающее до определенного установившегося значения напряжение накопления импульсов, которое при превышении уровня срабатывания формирователя 10 дискретного уровня сформирует на выводе 11 устройства дискретный сигнал. Этот сигнал будет означать, что постоянный ток в проводнике 1 измерен, значение его составляет не менее 5 мА, что соответствует целостности обмотки испытуемого элемента автоматики. Однако проводник 1 может иметь большую длину (до 50 м), что представляет собой существенный электрический контур для наведения в нем, в частности, продольной помехи. Эта помеха, введя в насыщение магнитопровод 2, сформирует короткую последовательность импульсов с выхода порогового 8 устройства. Последовательность импульсов сформирует на выходе накопителя 9 импульсов линейно нарастающее напряжение накопления импульсов, уровень которого будет недостаточен для переключения формирователя 10 дискретного уровня. Таким образом, совокупность признаков, характеризующих включение накопителя 9 импульсов между пороговым 8 устройством, измеряющим постоянный ток, и формирователем 10 дискретного уровня, блокирующим помеху, обеспечивается помехозащищенность устройства.

Представленная на фиг. 2 электрическая принципиальная схема примера конкретного исполнения устройства согласно фиг.1 включает проводник 1 постоянного тока, проходящий через магнитопровод 2 с обмоткой 3, инвертор 4, конденсаторы 5 и 6, согласующий 7 элемент, выполненный в виде конденсатора, пороговое 8 устройство, накопитель 9 импульсов и формирователь 10 дискретного уровня. В качестве сердечника использован магнитопровод насыщения МН с прямоугольной статической петлей гистерезиса (материал 84КХСР КВШУ 684450.001 ТУ). Пороговое 8 устройство выполнено в виде резистивного делителя напряжения 12 и 13, средняя точка которого, являющаяся входом порогового 8 устройства, через обратно включенный диод 14 соединена с землей и с базой транзистора 15. Коллектор транзистора 15 соединен с резистором 16 и инвертором 17, выход которого является выходом порогового 8 устройства. Накопитель 9 импульсов выполнен в виде последовательно включенных диода 18 и резистора 19, причем вывод резистора 19, являющийся выходом накопителя 9 импульсов, через параллельно соединенные конденсатор 20 и резистор 21 подключен к земле. В качестве формирователя 10 дискретного уровня использован инвертор.

Представленные на фиг.3 диаграммы функционирования устройства согласно фиг.2 включают:
а - диаграмму измеряемого постоянного тока;
б - диаграммы напряжений в начале и в конце обмотки 3, причем диаграммы напряжений А, Б соответствуют ненасыщенному состоянию магнитопровода 2, а диаграммы напряжений В, Г - насыщенному состоянию. На диаграмме обозначен уровень U_пор порога срабатывания порогового 8 устройства;
в - диаграмма последовательности импульсов, сформированная пороговым 8 устройством;
г - диаграмма формирования напряжения накопления импульсов в накопителе 9 импульсов. На диаграмме обозначен уровень U_сраб срабатывания формирователя 10 дискретного уровня.

При подаче напряжения питания на устройство в начале и в конце обмотки 3 формируются напряжения соответственно формы Б и А согласно фиг.3 диаграммы (б). Напряжение формы Б через согласующий конденсатор 7 поступает на вход порогового 8 устройства, порог срабатывания U_пор которого определяется настройкой резистивного делителя 12 и 13. Порог срабатывания U_пop настроен таким образом, что амплитуда напряжения формы Б является недостаточной для управления транзистором 15. При наведении помехи в проводнике 1 диаграмма (а) согласно фиг.3, магнитопровод 2 переходит в состояние насыщения. В результате чего индуктивность обмотки 3 падает, что способствует увеличению частоты и амплитуды в начале и в конце обмотки 3 - напряжения формы Г и В соответственно согласно фиг. 3 диаграммы (б). Величина напряжения формы Г, поступающего через согласующий 7 элемент на вход порогового 8 устройства, будет достаточна для открытия транзистора 15. Таким образом, положительная полуволна напряжения (отрицательная срезается диодом 14) с выхода порогового 8 устройства будет формировать импульсы согласно фиг.3 диаграммы (в). Последовательность импульсов, поступающих на вход накопителя 9 импульсов, через диод 18 и резистор 19 будет заряжать конденсатор 20. Причем на время длительности импульса конденсатор 20 заряжается, а на время скважности между импульсами конденсатор 20 через резистор 21 разряжается согласно фиг.3 диаграммы (г). Напряжение заряда конденсатора 20 для первого импульса определяется как

где
τ₁ = R₁₉•C₂₀
Напряжение разряда для первой скважности определяется как

где
τ₂ = R₂₁•C₂₀.
Таким образом, если допустить, что длительность и скважность импульсов одинаковы, то функцию накопления импульсов можно реализовать при условии τ₁≤τ₂. Причем динамика увеличения напряжения накопления импульсов с выхода накопителя 9 импульсов определяется также соотношением τ₁, τ₂.
Итак, число импульсов, определяемое в конкретном случае длительностью сигнала помехи, будет недостаточно, чтобы напряжение накопления импульсов достигло величины уровня срабатывания U_cpa6 формирователя 10 дискретного уровня. Следовательно, формирователь 10 дискретного уровня не сработает и сигнал помехи им будет заблокирован, чем и будет обеспечена помехозащищенность.

Длительность сигнала постоянного тока в проводнике 1 при контроле целостности элемента автоматики существенно больше длительности сигнала помехи. Поэтому напряжение накопления импульсов достигнет величины уровня срабатывания формирователя 10 дискретного уровня. В результате чего последний сработает и выставит дискретный уровень, характеризующий целостность испытуемого элемента автоматики.

Используемая литература
1. Патент Японии 2816175, кл. G 01 R 19/00, 28.04.89.

2. Патент США 5814983, кл. G 01 R 33/00, 29.09.98.

3. Патент Японии 2835093, кл. G 01 R 19/00.

4. Магнитопроводы типа МП, МД, МН и КЛ. Технические условия КВШУ 684459.001 ТУ. 1998 г.

Изобретение относится к приборостроению, а конкретно к электроизмерительной технике. Технический результат заключается в обеспечении помехозащищенности устройства при измерении постоянного тока. Для этого устройство для измерения постоянного тока содержит проводник постоянного тока, проходящий через магнитопровод с обмоткой, начало которой соединено с одним из выводов первого конденсатора, другой вывод первого конденсатора соединен с землей, а конец обмотки магнитопровода соединен через второй конденсатор с землей и с выходом инвертора, вход которого соединен с началом обмотки магнитопровода и через согласующий элемент соединен с пороговым устройством, выход которого через последовательно соединенные накопитель импульсов и формирователь дискретного уровня соединен с выводом устройства. 3 ил.

Устройство для измерения постоянного тока, содержащее проводник постоянного тока, проходящий через магнитопровод с обмоткой, начало которой соединено с одним из выводов первого конденсатора, отличающийся тем, что другой вывод первого конденсатора соединен с землей, а конец обмотки магнитопровода соединен через второй конденсатор с землей и с выходом инвертора, вход которого соединен с началом обмотки магнитопровода и через согласующий элемент соединен с пороговым устройством, выход которого через последовательно соединенные накопитель импульсов и формирователь дискретного уровня соединен с выходом устройства.