ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ Российский патент 2007 года по МПК G01R19/00 G01R19/20 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для прецизионных измерений амплитуды постоянных и переменных токов и напряжений, в том числе и несинусоидальной формы, а также во всех видах счетчиков электроэнергии и информационно-измерительных системах электроэнергетики.

Увеличение точности и скорости прецизионных измерений постоянных и переменных токов и напряжений, в особенности несинусоидальной формы, является одной из актуальных задач современной метрологии.

Для этой цели в настоящее время широко используются датчики тока на основе магнитных модуляторов, представляющих собой ферромагнитный трансформатор, в котором на одну из вторичных обмоток подается опорное напряжение высокочастотного возбуждения и по изменению его параметров в измерительной обмотке судят о величине измеряемого тока, протекающего через первичную обмотку.

Недостатком таких датчиков является наличие паразитной модуляции по длительности, если входное воздействие преобразуется в частотно-импульсное модулированное (ЧИМ) напряжение, или по частоте, если входное воздействие преобразуется в широтно-импульсное модулированное (ШИМ) напряжение, которое приводит к ошибке измерений, что препятствует широкому внедрению таких устройств.

В более сложных преобразователях используется многократное преобразование в следующем порядке: амплитудная модуляция (AM) входного сигнала преобразуется в ЧИМ, ЧИМ преобразуется в ШИМ, а ШИМ снова преобразуется в AM напряжение или используется для машинной обработки результатов измерений.

Наиболее близким к предлагаемому измерительному преобразователю является измерительный датчик-преобразователь тока и напряжения в частотно-модулированные импульсы напряжения [1], содержащий ферромагнитный трансформатор, в котором первичная обмотка соединена с токоограничивающим резистором, компенсационная обмотка соединена с выходом усилителя напряжения обратной связи, обмотка подмагничивания соединена с источником тока подмагничивания, обмотка возбуждения соединена с времязадающими входами генератора, выход которого является выходом датчика-преобразователя тока и напряжения, а также 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.

Существенным недостатком такого измерительного преобразователя является многократное преобразование входных сигналов и отсутствие жесткой синхронизации работы его элементов, что приводит к усложнению его схемы и снижению точности и скорости измерений.

Устранить эти недостатки можно путем исключения промежуточного ЧИМ преобразования и введения жесткой синхронизации режимов работы основных элементов измерительного преобразователя.

Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении точности и скорости измерений токов и напряжений и жесткой синхронизации режимов работы основных элементов измерительного преобразователя и формируемого им ШИМ напряжения.

Указанный результат достигается тем, что в измерительный преобразователь, содержащий датчик-преобразователь амплитуды измеряемого тока в импульсное напряжение, выполненный на ферромагнитном трансформаторе, в котором первичная обмотка параллельно соединена с отрезком цепи измеряемого тока, обмотка подмагничивания соединена с источником тока подмагничивания, обмотка возбуждения соединена с времязадающими входами импульсного генератора, а компенсационная обмотка соединена с выходом усилителя тока отрицательной обратной связи, вход которого соединен с токовым выходом демодулятора, парафазные выходы которого являются выходами измерительного преобразователя, дополнительно введены синхронизатор, первый и второй ждущие мультивибраторы и фазовый детектор, при этом выход генератора соединен с входом синхронизатора и через первый и второй ждущие мультивибраторы соединен с соответствующими входами фазового детектора, выход которого соединен с входом демодулятора, а выходы синхронизатора соединены соответственно с входами запуска и запрета работы генератора.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что для улучшения метрологических характеристик, таких как увеличение точности и скорости измерений и обеспечения жесткой синхронизации формируемых импульсов, известный измерительный преобразователь дополнен синхронизатором, двумя ждущими мультивибраторами и фазовым детектором, а промежуточная функция ЧИМ преобразования в нем исключена, что позволило расширить динамический диапазон и повысить точность измерений постоянных и переменных токов и напряжений, в особенности несинусоидальной формы.

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 U_A, U_Б, U_В, U_Г, U_Д и U_E в основных его точках А, Б, В, Г, Д и Е.

Измерительный преобразователь содержит входные зажимы 1 и 2, ферромагнитный сердечник 3, первичную обмотку 4, обмотку подмагничивания 5, компенсационную обмотку 6, обмотку возбуждения 7, генератор 8, синхронизатор 9, два ждущих мультивибратора 10 и 11, фазовый детектор 12, демодулятор 13, усилитель тока отрицательной обратной связи 14, источник тока подмагничивания 15 и выходные зажимы 16 и 17.

Предлагаемый измерительный преобразователь (ИП) работает следующим образом:

входной ток I_вх, создаваемый в первичной обмотке 4 источником измеряемого тока через зажимы 1 и 2, создает в ферромагнитном сердечнике 3 соответствующее его величине и знаку магнитное поле, которое изменяет магнитную проницаемость ферромагнитного сердечника 4 пропорционально степени его намагничивания.

Изменение магнитной проницаемости приводит к изменению величины индуктивности обмотки возбуждения 7, являющейся времязадающей цепью генератора 8, который при отсутствии синхронизатора 9, формировал бы нормированное по амплитуде ЧИМ напряжение. Но совместная работа генератора 8 и синхронизатора 9 в указанном включении позволяет избежать промежуточного ЧИМ преобразования и сразу получить на выходе генератора 8 нормированное по амплитуде ШИМ напряжение, и делается это следующим образом.

Синхронизатор 9 непрерывно формирует короткие, следующие с постоянным периодом Т, импульсы напряжения U_A (фиг.2, а) запуска и синхронизации генератора 8.

Первый после запуска выходной импульс напряжения U_Б (фиг.2, б) генератора 8 своим срезом (задним фронтом) запускает синхронизатор 9, который формирует импульс напряжения U_B (фиг.2, в) запрета работы генератора 8, существующий до появления нового импульса запуска генератора 8, после чего процесс периодически повторяется.

Следовательно, генератор 8 в течение периода Т формирует только один нормированный по амплитуде импульс напряжения U_Б, длительность τ которого зависит от амплитуды и знака измеряемого тока и может изменяться в интервале от 0 до значения Т.

Для удобства работы со знакопеременными сигналами при отсутствии измеряемого сигнала величина τ выбирается равной полупериоду, то есть τ=Т/2. При положительном значении сигнала величина τ изменяется на интервале 0≤τ≤Т/2, а при отрицательном значении сигнала величина τ изменяется на интервале Т/2≤τ≤Т.

Таким образом, на выходе генератора 8 мы получили однотактную синхронную ШИМ с модуляцией по срезу формируемых импульсов напряжения U_Б с периодом следования Т.

Для повышения чувствительности и расширения динамического диапазона измеряемых токов и напряжений фронтом напряжения U_Б запускается первый ждущий мультивибратор (ЖМВ) 10, а срезом импульсов напряжения U_Б запускается второй ЖМВ 11.

Оба ЖМВ, 10 и 11, формируют нормированные по амплитуде импульсы напряжения U_Г (фиг.2, г) и U_Д (фиг.2, д), длительность которых постоянна и по величине равна Т/2.

Единственное отличие напряжений U_Г и U_Д - это сдвиг по времени (фазе) на величину, равную времени существования импульсов напряжения U_Б.

По совпадению фаз напряжений U_Г и U_Д (равноценное совпадение низких и высоких потенциалов) фазовый детектор 12 формирует импульсы напряжения U_E (фиг.2, е), содержащие удвоенную информацию о коэффициенте модуляции импульсов напряжения U_Б.

Низкочастотная составляющая, выделенная демодулятором 13 из выходного напряжения U_Е фазового детектора 12, поступает на парафазные зажимы 16 и 17, являющиеся выходом ИП, а с токового выхода на вход усилителя тока отрицательной обратной связи (ООС) 14, выходной ток которого воздействует на компенсационную обмотку 6, формируя в ферромагнитном сердечнике 3 магнитное поле, необходимое для компенсации потерь в сердечнике 3, повышения линейности преобразования величины измеряемого тока в ШИМ напряжение, а также для ослабления влияния воздействующих на ИП дестабилизирующих факторов.

Для работы со знакопеременными входными сигналами и определения их знака производится подмагничивание ферромагнитного сердечника 3 от источника тока подмагничивания 15, выходной ток которого воздействует на обмотку подмагничивания 5.

Усилитель тока 14 ООС и компенсирующая обмотка 5 превращают ИП в эффективную систему автоматического регулирования (CAP), замкнутую через результирующее магнитное поле, создаваемое токами обмоток 4, 5, 6 и 7 в ферромагнитном трансформаторе 3.

Воздействие такой CAP с глубокой ООС по магнитному полю оказывает стабилизирующее действие на режим работы ИП и обеспечивает прецизионное преобразование входных аналоговых сигналов в высокочастотные ШИМ напряжения U_Б и U_Г (фиг.2, б и г), которые удобно использовать для машинной обработки содержащейся в них информации, прецизионного декодирования напряжения U_Г и формирования на зажимах 16 и 17 низкочастотных парафазных напряжений, амплитуда которых строго пропорциональна уровню измеряемого тока или напряжения.

Большая чувствительность и высокая (сотни килогерц) частота преобразования позволяют минимизировать габариты и вес ферромагнитного трансформатора 3 и ИП в целом, дают возможность подключать ИП к токопроводу параллельно, без разрыва цепи измеряемого тока.

Технический результат применения изобретения, помимо повышения точности и скорости измерений, расширения динамического диапазона измеряемых токов и напряжений, а также жесткой синхронизации режимов работы и формируемых ИП импульсов напряжения, заключается в улучшении технических характеристик, таких как:

- стабилизация параметров входящих в состав ИП элементов;

- компенсация воздействия возмущающих факторов;

- удвоенная частота преобразования сигналов;

- линейность амплитудной и амплитудно-частотной характеристик ИП;

- возможность измерений без разрыва цепи токопровода;

- минимизация веса и габаритов ИП.

ИП с такими характеристиками позволяют реализовать на их основе автоматизированные информационно-измерительные системы любого уровня сложности.

Источники информации

1. Измерительный преобразователь. Патент РФ №2176088, МПК G01R 19/00, 19/20, 11.01.2001.

Предложенное изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для прецизионных измерений амплитуды постоянных и переменных токов и напряжений, в том числе и несинусоидальной формы. Технический результат от реализации данного изобретения заключается в повышении точности и скорости измерений токов и напряжений и жесткой синхронизации режимов работы основных элементов измерительного преобразователя и формируемого им широтно-импульсного модулируемого напряжения. Предложенный измерительный преобразователь содержит датчик-преобразователь амплитуды измеряемого тока в импульсное напряжение, выполненный на ферромагнитном трансформаторе, в котором первичная обмотка параллельно соединена с отрезком цепи измеряемого тока, обмотка подмагничивания соединена с источником тока подмагничивания, обмотка возбуждения соединена с времязадающими входами импульсного генератора, а компенсационная обмотка соединена с выходом усилителя тока отрицательной обратной связи, вход которого соединен с токовым выходом демодулятора, парафазные выходы которого являются выходами измерительного преобразователя. При этом выход генератора соединен с входом синхронизатора и через первый и второй ждущие мультивибраторы соединен с соответствующими входами фазового детектора, выход которого соединен с входом демодулятора, а выходы синхронизатора соединены соответственно с входами запуска и запрета работы генератора. 2 ил.

Измерительный преобразователь, содержащий датчик-преобразователь амплитуды измеряемого тока в импульсное напряжение, выполненный на ферромагнитном трансформаторе, в котором первичная обмотка параллельно соединена с отрезком цепи измеряемого тока, обмотка подмагничивания соединена с источником тока подмагничивания, обмотка возбуждения соединена с времязадающими входами импульсного генератора, а компенсационная обмотка соединена с выходом усилителя тока отрицательной обратной связи, вход которого соединен с токовым выходом демодулятора, парафазные выходы которого являются выходами измерительного преобразователя, отличающийся тем, что выход генератора соединен с входом синхронизатора и через первый и второй ждущие мультивибраторы соединен с соответствующими входами фазового детектора, выход которого соединен с входом демодулятора, а выходы синхронизатора соединены соответственно с входами запуска и запрета работы генератора.