ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ШУНТ ДЛЯ ИМПУЛЬСНЫХ ТОКОВ Российский патент 2014 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к конструкциям измерительных шунтов, предназначенных для измерения токов.

Широко известны измерительные шунты [1], которые имеют в конструкции резистивный элемент из манганина, выполняемый обычно в виде плоской пластины, или цилиндрической шины, или нескольких пластин (шин), расположенных параллельно. Этот элемент оконцовывается токовыми наконечниками, обычно выполняемыми из меди или латуни. Токовые наконечники подсоединяются к цепи, в которой необходимо измерить ток. Снятие сигнала напряжения, пропорционального протекаемому току, производится с помощью потенциальных выводов, установленных на токовых наконечниках. Функцию этих выводов, как правило, выполняют винты.

Существенными недостатками этой конструкции являются ограниченный частотный диапазон и, при измерении импульсных токов, искажение формы напряжения, снимаемого с датчика (по сравнению с измеряемым током). Это объясняется наличием собственной индуктивности шунта, которая начинает влиять на измерения при высоких скоростях нарастания тока - от 10⁶…10⁷ А/с и более.

Известные конструкции шунтов [1] являются прототипом изобретения.

Задачей изобретения является повышение технических характеристик измерительного токового шунта и расширение области его применения.

Техническим результатом, который обеспечивает изобретение, является расширение частотного диапазона и увеличение точности при измерении тока.

Технический результат достигается тем, что в заявляемом измерительном шунте параллельно потенциальным выводам устанавливается последовательная корректирующая RC-цепочка, а сигнал снимается с выводов конденсатора С.

Анализ заявляемого устройства показывает, что по сравнению с прототипом в устройстве изменена конструкция - появляется новый элемент, что соответствует критерию "новизна". В сравнении с аналогами этот элемент является отличительным, что дает основания считать, что изобретение имеет изобретательский уровень.

Предлагаемое изобретение поясняется графическими материалами:

на фиг.1 изображена электрическая схема замещения цепи шунта RC-цепью при измерении тока;

на фиг.2 изображены диаграммы тока 1, измеренного с помощью поверенного средства измерения, тока 2, измеряемого по шунту-прототипу, тока 3, измеряемого по шунту с RC-цепочкой, абсолютной погрешности 4 измерений между поверенным средством и шунтом с RC-цепочкой.

Шунт работает следующим образом.

Ток от внешнего источника J (см. фиг.1) протекает по шунту с параметрами цепи замещения L_ш, R_ш, при этом напряжение U_вых, снимаемое с элемента C в параллельно установленной RC-цепочке, является пропорциональным измеряемому току J.

Используя теорию электрических цепей, можно установить связь между измеряемым током J и напряжением U_вых на конденсаторе С. Для этого рассмотрим эквивалентную схему замещения шунтового датчика с RC-цепью (см. фиг.1).

Пусть R>>R_ш. Тогда ток нагрузки J в основном будет протекать через шунт, и можно записать:

$$U_{ш}=R_{ш}\cdot J+L_{ш}\frac{dJ}{dt}$$ .

То же в операторном виде:

$${\overline{U}}_{ш}=\overline{J}\left(L_{ш}p+R_{ш}\right).(1)$$

При установке RC-цепи параллельно шунту связь U_вых на конденсаторе C с U_ш

$$U_{ш}=R\cdot C\frac{d{U}_{вых}}{dt}+U_{вых}$$ .

То же в операторном виде:

$${\overline{U}}_{ш}={\overline{U}}_{вых}\left(RCp=1\right).(2)$$

Подставляя (1) в (2) и выражая $${\overline{U}}_{вых}$$ через $$\overline{J}$$ , получим:

$${\overline{U}}_{вых}=\overline{J}\frac{L_{ш}p+R_{ш}}{RCp+1}=\overline{J}R\frac{\raisebox{1ex}{$L_{ш}$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$R_{ш}$}\right.p+1}{RCp+1}.(3)$$

Таким образом, для получения пропорциональности между измеряемым током J и выходным напряжением U_вых необходимо, чтобы постоянные времени шунта L_ш/R_ш и корректирующей цепочки RС были равны. Тогда динамическое влияние тока J не будет проявляться ошибкой напряжения на L_ш-составляющей шунта.

Для проверки работоспособности описанного шунта был проведен эксперимент, при котором по шунту пропускался однополярный импульс тока. Ток измерялся поверенными средствами измерения и сравнивался с сигналом, снимаемым с шунта и конденсатора RС-цепочки. Результаты представлены на фиг.2, на которой измеряемый ток 1 имеет однополярную форму, при этом измеряемый шунтом 75ШСМ300 этот же ток имеет форму 2. На рисунке видно резкое отличие этих сигналов по амплитуде, фазе и форме. Применение корректирующей цепи с параметрами R=1 кОм, С=80 нФ (что соотносится с постоянной времени, определяемой собственными параметрами шунта R_ш=0,25 мОм, L_ш=20 нГн) позволило измерить ток в виде сигнала 3. На фиг.2 видно, что скорректированная кривая 3 гораздо ближе к истинному току 1, чем нескорректированная кривая 2. Абсолютная погрешность измерения 4 показывает хорошую для практики точность предлагаемого способа корректировки.

Данное изобретение является промышленно применимым, так как может быть использовано при измерении импульсных токов, например, в технике магнитно-импульсной обработки металлов или в импульсных электромагнитных приводах сейсмоисточников. Проведенные опыты подтверждают работоспособность изобретения.

Известно множество других шунтов, имеющих более сложные резистивные элементы, чем у [1], например выполненные в виде коаксиальных цилиндров или в виде спиралей с целью уменьшения собственной индуктивности и увеличения частотного диапазона. Для их коррекции тоже может быть использована дополнительная RC-цепь. Таким образом, с помощью дополнительной RC-цепи можно расширить частотные характеристики любого измерительного шунта.

Использованная литература

1. Технические условия на шунты 75ШСМ ТУ25-04-3104-76.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к конструкциям измерительных шунтов, предназначенных для измерения токов, и может быть применено для измерения импульсных токов. Сущность изобретения заключается в следующем: параллельно потенциальным выводам измерительного шунта присоединяется последовательная RC-цепочка с постоянной времени, равной постоянной времени шунта, при этом напряжение U _вых, снимаемое с конденсатора C, является пропорциональным измеряемому току J. Применение RC-цепочки позволяет уменьшить влияние паразитной собственной индуктивности L _ш на сигнал, снимаемый с шунта. Технический результат изобретения состоит в расширении частотного диапазона и увеличении точности при измерении тока. 2 ил.

Измерительный шунт, содержащий резистивный элемент, оконцованный токовыми наконечниками с потенциальными и токовыми выводами, отличающийся тем, что к потенциальным выводам шунта параллельно присоединяется последовательная RC-цепочка с постоянной времени, равной постоянной времени шунта.