ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЙ КОМПАРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ, ТОКА И МОЩНОСТИ Российский патент 2007 года по МПК G01R17/08 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при эталонных измерениях напряжения, тока и мощности в широком диапазоне измеряемых величин и частот.

Известны электродинамические компараторы напряжения, тока и мощности вида ЭД/МЭ, состоящие из двух преобразователей разного вида - электродинамического (ЭД) и магнитоэлектрического (МЭ), подвижные части которых укреплены на общей оси [1]. При этом ток в магнитоэлектрическом преобразователе регулируется вручную или автоматически до равенства моментов указанных преобразователей.

Недостатком электродинамических преобразователей ЭД/МЭ является низкая точность измерения напряжения, тока и мощности и низкий частотный диапазон измеряемых величин.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению (прототипом) является электродинамический компаратор одновременного сравнения ЭД/ЭД [1], предназначенный для эталонных измерений напряжения, тока и мощности.

Указанный компаратор содержит подвижную систему в виде двух катушек на общей вертикальной оси, которая укреплена на подвеске, две неподвижные катушки, которые укреплены на корпусе компаратора, устройство для обеспечения идентичности электродинамических преобразователей и указатель нуля.

Недостатком прототипа является недостаточная точность и узкий частотный диапазон, что обусловлено реактивностью (индуктивностью, взаимной индуктивностью и емкостью) неподвижной и подвижных катушек электродинамического компаратора [1]. Поэтому, несмотря на существенные достоинства электродинамических преобразователей - большой вращающий момент, надежность и стабильность, они применяются в метрологической практике для передачи размера единиц электрических величин - напряжения, тока и мощности от эталонов постоянного тока эталонным средствам измерений переменного тока в диапазоне частот 50÷3000 Гц.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение реактивности (индуктивности, взаимной индуктивности и емкости) неподвижной и подвижных катушек электродинамического компаратора, а также повышение чувствительности компаратора, что обеспечивает повышение точности измерения напряжения, тока и мощности в широком диапазоне частот.

Для реализации поставленной задачи в предложенном электродинамическом компараторе напряжения, тока и мощности подвижная система выполнена в виде поперечной горизонтальной балки по типу весов, по краям которой укреплены подвижные катушки двух электродинамических преобразователей, в которых две неподвижные и одна подвижная катушки выполнены плоскими проводниками по типу печатных резисторов, при этом подвижная катушка помещена между неподвижными катушками, а один из витков неподвижных катушек выполнен подвижным с возможность обеспечения идентичности электродинамических преобразователей, при этом места изменения направления проводников неподвижных катушек электродинамических преобразователей выполнены отогнутыми на 90° от горизонтальных проводников, при нулевом положении подвижной системы компаратора плоские проводники подвижной катушки наполовину перекрывают аналогичные проводники неподвижной катушки, и флажки фотоэлектрического преобразователя угла поворота подвижной системы в электрический сигнал, который через усилитель постоянного тока подсоединен к указателю нуля, при этом ширина проводников и расстояние между ними в электродинамических преобразователях равна ширине полос и расстоянию между ними в маске фотоэлектрического преобразователя угла отклонения подвижной системы в электрический сигнал, элементы крепления подвижной системы, которые выполнены в виде четырех растяжек с каждой стороны оси подвижной системы, растяжки расположены попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях, одна пара из них прикреплена к оси подвижной системы и к амортизаторам, а другая - через кольцо прикреплена к оси подвижной системы и к амортизаторам.

На фиг.1 изображен схематически электродинамический компаратор напряжения, тока и мощности, на фиг.2 изображен схематически электродинамический преобразователь напряжения, тока и мощности.

Электродинамический компаратор напряжения, тока и мощности (фиг.1) содержит подвижную систему в виде поперечной горизонтальной балки 1 по типу весов, по краям которой укреплены подвижные катушки 2 и 3 двух электродинамических преобразователей 4 и 5. Неподвижные катушки 6 и 7 электродинамических преобразователей 4 и 5 жестко соединены с основанием компаратора.

Элементы крепления балки 1 выполнены в виде пар растяжек 8, 9 и 10, 11, попарно расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях и под углом одна к другой. Внешние концы указанных растяжек прикреплены соответственно к амортизационным пружинам 12, 13 и 14, 15. Внутренние концы растяжек 8, 9 прикреплены к оси 16 балки, а растяжек 10, 11 - к кольцам 17.

На концах балки 1 укреплены также флажки 18, 19 фотоэлектрических преобразователей угла поворота подвижной системы компаратора в электрический сигнал, которые содержат осветительную лампу с конденсором 20, 21 и мосты 20, 23, в которые входят резисторы, фоторезисторы и источники постоянного напряжения. Сигнал с мостов 22, 23 суммируется, усиливается при помощи усилителя постоянного тока и подается на нулевой индикатор равновесия (на фиг.1 не показан).

Каждый из двух идентичных электродинамических преобразователей 4 и 5 (на фиг.2 изображен электродинамический преобразователь 4) содержит подвижную катушку 2 и неподвижную катушку 6, которая состоит из двух катушек, симметрично расположенных с двух сторон подвижной катушки 2. Катушки 2 и 6 выполнены плоскими проводниками по типу печатных резисторов. Места изменения направления проводников неподвижных катушек 6 электродинамических преобразователей выполнены отогнутыми на 90 градусов от горизонтальных проводников. При нулевом положении подвижной системы электродинамического компаратора плоские проводники подвижной катушки 2 наполовину перекрывают аналогичные проводники неподвижной катушки 6. При этом ширина проводников катушек 2 и 6 и расстояние между ними в электродинамических преобразователях равна ширине полос и расстоянию между указанными проводниками равно ширине полос в маске фотоэлектрического преобразователя угла отклонения подвижной системы в электрический сигнал.

Для обеспечения идентичности электродинамических преобразователей 4 и 5 один из витков неподвижных катушек выполнен подвижным с возможностью изменения расстояния между витком подвижной катушки 2 и витком неподвижной катушки 6 (на фиг.2 не показано).

Поскольку оба электродинамических преобразователя 4 и 5 идентичны, то выражение вращающего (D_cp) и противодействующего (D₀) моментов имеют одинаковый вид:

D_cp=k_fp_f ²х²,

D₀=k₀p₀ ²х₀ ²,

где: k_f и k₀ - коэффициенты преобразования электродинамического преобразователя на переменном и постоянном токе соответственно;

p_f и р₀ - коэффициенты преобразования приемного преобразователя на переменном и постоянном токе соответственно, зависящие от значений добавочного резистора или шунта, если таковые имеются;

х и x₀ - измеряемая величина, соответственно на переменном и постоянном токе.

Если коэффициент преобразования не зависит от частоты, то есть

k_fp_f=k₀p₀, то при равенстве моментов D_cp=D₀ получаем результат в виде: x₀=x. Это возможно при коаксиальных добавочных резисторах и шунтах.

В электродинамическом преобразователе перемещение подвижной катушки 2 вызывает изменение энергии поля системы, состоящей из неподвижной 6 и подвижной катушек 2. Поэтому подвижная катушка электродинамического преобразователя всегда стремится расположиться так, чтобы энергия указанной системы была наибольшей. При компарировании напряжения последовательно соединены подвижная и неподвижная катушки электродинамических преобразователей и добавочный резистор. При компарировании тока последовательно соединены подвижная и неподвижная катушки электродинамических преобразователей. При увеличении тока параллельно указанным катушкам подключают шунт. При компарировании мощности последовательно с подвижной катушкой подключают добавочный резистор, а параллельно неподвижной катушке - шунт.

Подвижную катушку подключают к другим элементам электродинамического преобразователя через безмоментные токоподводы.

Электродинамический компаратор напряжения, тока и мощности работает следующим образом. При помощи механического и электрического корректоров (на фиг.1 не показаны) устанавливают нуль электродинамического компаратора напряжения, тока и мощности. При этом на входы электродинамических преобразователей 4 и 5 сигналы не подаются. Далее добиваются идентичности электродинамических преобразователей 4 и 5 путем подачи на них одного и того же постоянного или переменного напряжения (тока, мощности) и плавного изменения расстояния между подвижным витком катушки 6 и витком катушки 2. Идентичность указанных преобразователей определяют по нулевому показанию нулевого индикатора.

Затем на один из электродинамических преобразователей подается переменное напряжение (ток, мощность), а на другой электродинамический преобразователь подается постоянное напряжение (ток, мощность), которое регулируется таким образом, чтобы нулевой указатель показывал нуль. Далее постоянное напряжение (ток, мощность) измеряется компенсационным методом с применением компенсатора постоянного тока непосредственно или с делителем напряжения (шунтом). Указанные средства измерений на фиг.1 и 2 не показаны. Поскольку электродинамический компаратор напряжения (тока, мощности) выполнен по типу весов, а растяжки крепления подвижной системы имеют малый противодействующий момент, то указанный компаратор является весьма чувствительным средством измерений. Это обеспечивает возможность иметь малое количество витков в каждом электродинамическом преобразователе 4 и 5, и, следовательно, малую индуктивность, что обеспечивает широкий диапазон измеряемых величин и частот при эталонных измерениях. Применение растяжек 8, 9 предотвращает поперечные колебания подвижной системы. Для предотвращения крутильных колебаний подвижной системы применяют воздушный успокоитель (на фиг.1 не показан).

Источники информации

1. Рождественская Т.Б. Электрические компараторы для точных измерений тока, напряжения и мощности. - М.: Издательство стандартов, 1964, с.30-45, с.50-81.

Предложенное изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при эталонных измерениях напряжения, тока и мощности в широком диапазоне измеряемых величин и частот. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является снижение реактивности неподвижной и подвижных катушек электродинамического компаратора, а также повышение чувствительности компаратора. Предложенный электродинамический компаратор содержит подвижную систему в виде двух катушек на общей оси, элементы крепления подвижной системы, неподвижные катушки, устройство для обеспечения идентичности электродинамических преобразователей, указатель нуля и флажки фотоэлектрического преобразователя угла поворота подвижной системы в электрический сигнал. При этом подвижная система выполнена в виде поперечной горизонтальной балки, по краям которой укреплены подвижные катушки двух электродинамических преобразователей, в которых две неподвижные и одна подвижная катушки выполнены плоскими проводниками, подвижная катушка помещена между неподвижными катушками, один из витков неподвижных катушек выполнен подвижным, при этом места изменения направления проводников неподвижных катушек электродинамических преобразователей выполнены отогнутыми на 90 градусов от горизонтальных проводников, а элементы крепления подвижной системы выполнены в виде четырех растяжек с каждой стороны оси подвижной системы. 2 ил.

Электродинамический компаратор напряжения, тока и мощности, содержащий подвижную систему в виде двух катушек на общей оси, элементы крепления подвижной системы, неподвижные катушки, которые жестко укреплены на корпусе компаратора, устройство для обеспечения идентичности электродинамических преобразователей и указатель нуля, отличающийся тем, что в нем подвижная система выполнена в виде поперечной горизонтальной балки по типу весов, по краям которой укреплены подвижные катушки двух электродинамических преобразователей, в которых две неподвижные и одна подвижная катушки выполнены плоскими проводниками по типу печатных резисторов, при этом подвижная катушка помещена между неподвижными катушками, а один из витков неподвижных катушек выполнен подвижным с возможностью обеспечения идентичности электродинамических преобразователей, при этом места изменения направления проводников неподвижных катушек электродинамических преобразователей выполнены отогнутыми на 90° от горизонтальных проводников так, что при нулевом положении подвижной системы электродинамического компаратора плоские проводники подвижной катушки наполовину перекрывают аналогичные проводники неподвижной катушки, и флажки фотоэлектрического преобразователя угла поворота подвижной системы в электрический сигнал, который через усилитель постоянного тока подсоединен к указателю нуля, при этом ширина проводников и расстояние между ними в электродинамических преобразователях равна ширине полос и расстоянию между ними в маске фотоэлектрического преобразователя угла отклонения подвижной системы в электрический сигнал, элементы крепления подвижной системы, которые выполнены в виде четырех растяжек с каждой стороны оси подвижной системы, растяжки расположены попарно во взаимно перпендикулярных плоскостях, одна пара из них прикреплена к оси подвижной системы и к амортизаторам, а другая через кольцо прикреплена к оси подвижной системы и к амортизаторам.