СПОСОБ ГРАДУИРОВКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ БОЛЬШИХ ПОСТОЯННЫХ ТОКОВ Российский патент 2004 года по МПК G01R35/00 G01R19/00 

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

Одним из самых известных и широко используемых в различных областях измерительной техники способов градуировки устройств является сравнение показаний градуируемого прибора с показаниями образцового, имеющего более высокий класс точности. Применительно к измерениям больших постоянных токов этот способ имеет ряд недостатков, обусловленных отсутствием в нашей стране сети специальных лабораторий и образцовых средств измерения постоянных токов свыше 100 кА. Использующиеся же в качестве образцовых мер шунты применяются только при токах до нескольких десятков килоампер из-за больших потерь мощности в шунте.

Другой известный способ градуировки заключается в том, что создается вспомогательное поле с помощью катушек, наматываемых на преобразователь, по которым пропускается ток в k раз меньше измеряемого тока (k - число витков вспомогательных катушек) (см. Разин Г.И., Щепкин А.П. Бесконтактное измерение электрических токов. - М.: Атомиздат, 1974. - С. 105). Недостатком этого способа является возникновение погрешностей из-за отличия топографии поля катушек и поля в реальных условиях при протекании измеряемого тока по пакету шин.

Третий известный способ градуировки основан на расчете значений магнитной индукции от измеряемого тока в месте установки преобразователей магнитной индукции (измерительных элементов) (см. там же). При этом сам измерительный элемент градуируется отдельно с помощью источника (как правило, однородного) магнитного поля. Такой способ позволяет градуировать приборы, предназначенные для измерения больших токов свыше 100 кА. Недостатками этого способа являются: 1) необходимость точного измерения расстояний от шин до измерительного элемента и размеров самих шин, что, в общем случае, не всегда возможно, поскольку шины могут иметь неровности и форму сечения, отличную от прямоугольной, принимаемой при расчетах, что приводит к снижению точности градуировки и к тому, что откалиброванное устройство можно использовать лишь на одном месте; 2) сложность расчетов, т.к. токопроводы могут иметь различные количества шин и различные геометрические размеры.

Наиболее близким к предлагаемому является способ градуировки на основе расчета магнитной индукции в месте установки измерительного элемента (ИЭ) магнитной индукции при использовании нескольких ИЭ. При этом реальный шинопровод заменяется линейным проводником (см. патент России №2119169, опубл. 20.09.98, бюл. №26). Такой способ принят за прототип. Недостатками прототипа являются 1) увеличение инструментальных погрешностей вследствие того, что коэффициент удаления, равный отношению диаметра D окружности расположения ИЭ к большей стороне l пакета (фиг.1):

выбирается равным не менее 2, поэтому возможно снижение уровня полезного входного сигнала ИЭ, что приводит к возрастанию влияния помех, причем при снижении коэффициента К_уд погрешности градуировки увеличиваются в прототипе вследствие использования ограниченного числа ИЭ; 2) необходимость использования достаточно большого количества ИЭ для получения малых методических погрешностей градуировки (0,01% и менее).

Сущность решения состоит в стремлении получить технический результат, заключающийся в повышении точности градуировки измерительных преобразователей больших постоянных токов за счет снижения методических и инструментальных погрешностей.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе градуировки измерительных преобразователей больших постоянных токов, основанном на расчете значений магнитной индукции, создаваемой измеряемым током, в месте установки ИЭ около пакета шин и отдельной поверке этого элемента с помощью источника однородного магнитного поля, причем n измерительных элементов размещают их при градуировке равномерно вокруг пакета шин по окружности, а расчет для каждого элемента проводят для какого-либо выбранного значения расчетного измеряемого тока в предположении, что этот ток протекает по линейному проводнику, на основании чего определяют коэффициент пропорциональности между суммарной расчетной индукцией всех n элементов и расчетным током, а коэффициент преобразования любого элемента находят как произведение коэффициента пропорциональности и частного от деления отклика этого элемента к сумме откликов всех n элементов, причем последние две величины находят путем измерения при протекании неизвестного тока по пакету шин, особенность заключается в том, что число n ИЭ выбирают из ряда n=7+4m, где m=0, 1, 2,...

Совокупность указанных общих существенных признаков дополняют частные отличительные признаки, направленные на достижение того же технического результата: при методической погрешности поверки порядка 0,01% число n выбирают равным 7, при погрешности менее 0,01% число n выбирают равным 11, причем диаметр окружности расположения ИЭ выбирают из условия, чтобы он не менее чем в 1,6 раз превышал длину большей стороны пакета шин.

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”.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, представленными на фиг.1-4. На фиг.1 и 2 показано взаимное расположение точек измерения магнитной индукции или напряженности (измерительных элементов) 1, токопроводов 2, контура интегрирования 3; на фиг.3 кроме этого изображен ИЭ, имеющий реальные размеры; на фиг.4 приведены графики, отражающие зависимости методических погрешностей от количества ИЭ.

Предлагаемый способ градуировки измерителей больших постоянных токов может быть реализован следующим образом.

В качестве измерительных элементов магнитной индукции 1 (фиг.1) могут использоваться, например, преобразователи на основе датчиков Холла. Эти элементы поверяются с помощью вспомогательного источника магнитного поля, например, на основе линейных катушек индуктивности. Далее элементы располагаются вокруг реального шинопровода 2, образуя контур интегрирования 3. Для решения вышеуказанной задачи предлагается расположить n элементов вокруг шинопровода с измеряемым током I равномерно по окружности с диаметром D, не менее чем в 1,6 раз превышающим длину l большей стороны пакета шин (пакет шин может иметь прямоугольную или близкую к квадратной форму сечения). Для получения информации о токе производится суммирование откликов ИЭ так где μ₀=4π·10^-7 Гн/м - магнитная постоянная, что выходной сигнал пропорционален току I:

где - касательная составляющая магнитной индукции в точке i расположения элемента (фиг.1); n - количество ИЭ; k - коэффициент пропорциональности.

В уравнении (2) величина BΣ известна, поскольку измерительные элементы поверены и по их выходным откликам можно найти сумму индукций в месте их расположения вдоль контура интегрирования. Но в правой части обе величины неизвестны. Определение общего коэффициента пропорциональности k является также задачей градуировки.

Отметим, что при использовании такого подхода [так называемый “закон полного тока в дискретной форме” (см. Казаков М.К. Использование закона полного тока в дискретной форме для измерения больших постоянных токов // Электричество. - 1997, - №10. - С. 56-63] в общем случае имеют место два вида методических погрешностей: погрешность ε₁, обусловленная конечным числом ИЭ, и погрешность ε₂, обусловленная изменением формы и площади сечения шинопровода (по сравнению с линейным токопроводом). При использовании закона полного тока в дискретной форме первая погрешность устраняется градуировкой измерительного преобразователя, поэтому основную роль играет вторая погрешность, которая определяется отличием суммарной индукции измерительных элементов при протекании тока по реальному шинопроводу от суммарной индукции этих элементов при протекании тока по линейному проводнику. Далее под методической погрешностью будем понимать именно ее.

Для нахождения коэффициента k в формуле (2) реальный шинопровод мысленно заменяется линейным проводником, т.е. проводником, поперечное сечение которого стянуто в точку (фиг.2), и проводится расчет индукций в точках i расположения элементов при выборе какого-либо расчетного значения тока I' в проводнике. Это выполнить нетрудно, поскольку

Выражение (3) записано с учетом того, что для воздуха и неферромагнитного материала шинопровода относительная магнитная проницаемость μ= 1.

Магнитные индукции во всех точках контура в виде окружности при протекании тока I' по линейному проводнику (он расположен в центре контура) равны, поэтому суммарная индукция

где k' - расчетный коэффициент пропорциональности.

Из (4) с учетом (3) находим этот коэффициент:

Проведенный авторами детальный анализ методических погрешностей измерения больших токов при использовании ограниченного числа ИЭ позволяет утверждать, что при выбранных параметрах контура интегрирования коэффициенты пропорциональности в случаях (2) и (4) с малой погрешностью соответствуют друг другу:

Таким образом, в уравнении (2) осталось одно неизвестное (измеряемый ток I), т.е. по суммарному показанию элементов ВΣ с учетом (5) и (6) можно судить о нем:

Далее можно определить коэффициент преобразования i-го элемента, который равен коэффициенту пропорциональности между сигналом i-го элемента и измеряемым током:

Для более точного расчета, если это необходимо, можно учесть размеры измерительного элемента (фиг.3). В этом случае формула (3) принимает вид

Нетрудно показать, что формулой (3') целесообразно пользоваться лишь при (R₂-R₁)>0,1 R, где R - радиус контура интегрирования. При измерениях больших постоянных токов свыше 100 кА соотношение размеров контура и ИЭ таковы, что формула (2) дает точные результаты, если расположить элементы таким образом, чтобы выполнялось условие

Вышеизложенное говорит о том что, хотя индукции в отдельных точках отличаются, суммарная индукция мало зависит от размеров и формы сечения пакета шин. Установлено, что круглая форма контура наименее восприимчива к изменениям распределения тока внутри контура (отметим, что под формой контура понимается форма поверхности, ограничиваемая контуром).

Детальный анализ методических погрешностей, возникающих при изменении размеров и формы сечения шинопровода вследствие использования ограниченного количества ИЭ, показал, что они при использовании круглого контура интегрирования минимальны, если количество ИЭ выбирается из ряда

где m=0,1,2,..., причем погрешности существенно ниже, чем у прототипа (когда число n четное, но не кратное четырем).

Фиг.4 иллюстрирует некоторые полученные результаты. На этом рисунке использованы следующие обозначения: KP₁ - круглый контур при четных n, но не кратных четырем значениях n, т.е. n=6,10,... (как в прототипе); КР₂ - круглый контур интегрирования при значениях n согласно (10).

Из фиг.4 видно, что выбор количества элементов согласно (10) обеспечивает получение существенно меньших методических погрешностей (для погрешности на графике использован логарифмический масштаб). Это позволяет в предлагаемом решении по сравнению с прототипом 1) существенно снизить методическую погрешность измерения тока; 2) уменьшить значение коэффициента удаления (1) и тем самым снизить инструментальные погрешности при практической реализации предложенного способа; 3) снизить количество n измерительных элементов при одинаковой погрешности.

Выполнение пунктов 1) и 2) позволяет повысить точность градуировки измерительных преобразователей больших постоянных токов.

Установлено, что для значений погрешности ε₂ ≈ 0,01% и ε₂<0,01% минимальные значения n соответственно равны 7 и 11 при коэффициенте К_уд ≥ 1,6.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий: средство, воплощающее заявленный способ при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно для измерений больших постоянных токов, используемых в химической и металлургической промышленности; для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “промышленная применимость”.

Способ можно использовать в области электрических измерений, в частности при измерениях больших постоянных токов, применяемых в химической и металлургической промышленности. При градуировке измерительных преобразователей измерительные элементы располагаются вокруг пакета шин по окружности. При расчете магнитной индукции в месте расположения каждого измерительного элемента пакет шин заменяется линейным проводником. Число измерительных элементов выбирается из ряда n=7+4m, где m=0, 1, 2,.... Техническом результатом использования способа является повышение точности градуировки измерительных преобразователей. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ градуировки измерительных преобразователей больших постоянных токов, основанный на расчете значений магнитной индукции, создаваемой измеряемым током, в месте установки измерительного элемента (ИЭ) около пакета шин и отдельной поверке этого элемента с помощью источника однородного магнитного поля, причем n измерительных элементов размещают при градуировке равномерно вокруг пакета шин по окружности, а расчет для каждого элемента проводят для какого-либо выбранного значения расчетного измеряемого тока в предположении, что этот ток протекает по линейному проводнику, на основании чего определяют коэффициент пропорциональности между суммарной расчетной индукцией всех n элементов и расчетным током, а коэффициент преобразования любого элемента находят как произведение коэффициента пропорциональности и частного от деления отклика этого элемента к сумме откликов всех n элементов, причем последние две величины находят путем измерения при протекании неизвестного тока по пакету шин, отличающийся тем, что число ИЭ n выбирают из ряда: n=7+4m, где m=0, 1, 2, ... .2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при методической погрешности поверки порядка 0,01% число n выбирают равным 7, при погрешности менее 0,01% число n выбирают равным 11, причем диаметр окружности расположения ИЭ выбирают из условия, чтобы он не менее чем в 1,6 раз превышал длину большей стороны пакета шин.