Устройство для бесконтактного измерения силы тока Советский патент 1983 года по МПК G01R13/40 

Изобретение относится к электро- измерительной технике и предназначено для использования при контроле тока высоковольтных линий электропередач постоянного и переменного напряжений.

Известно устройство для бесконтактного измерения силы тока, содержащее источник поляризованного света, оптически связанный с преобразователем силы тока в угол поворота плоскости поляризации, двухлучевую призму, установленную на пути следования светового потока между преобразователем силы тока в угол поворота плоскости поляризации и двумя фотоприемниками , выходы которых подключены к сигнальным входам соответствующих усилителей фототока, блоки суммирования и вычитания, входы которых соединены с выходами усилителей .фототока, а выходы - с первыми входами синхронных детекторов, генератор сигналов, выход которого подключен к вторым входам синхронных детекторов, дифференциальный усилитель автоматической регулировки усиления, один из входов которого соединен с выходом источника опорного напряжения, другой вход - с выходной цепью блока суммирования, а выход - с управляющими входами обоих усилителей фототока, регистрирующий прибор, вход которого через один из синхронных детекторов подключен к выходу блока вычитания Cll«

Недостаток известногоустройства заключается в том, что при его практическом использовании имеют место значительные аддитивная и мультипликативная погрешности измерения, обусловленные неодинаковыми чувствительностями фотоприемников.

Наиболее близким техническим реением к изобретению является устройство для бесконтактного измерения силы тока, содержащее источник света постоянной мощности, оптически связанный с поляризатором, преобразователь силы тока в угол поворота плоскости поляризации, двухлучевую поляризационную призму, установленную перед двумя фотоприемникамй, выходы которых подключены.к сигнальным входам соответствующих усилителей фототока, блоки суммирования и вычитания, входы которых соединены с выходами усилителей фототока, первый дифференциальный усилитель автоатической регулировки усиления, вхоы которого подключены к выходу синхронного детектора и шине нулевого . отенциала, а выход- - к управляюще-. у входу riepBoro усилителя фототока, торой дифференциальный усилитель авоматической регулировки усиления, ходы которого соединены с выходаи источника опорного напряжения и

блока суммирования, а выход - с управляющим входом второго усилителя фототока, селективный усилитель, вход которого подключен к выходу блока суммирования, а выход - к одному из входов синхронного детектора, генератор частоты модуляции, выход которого соединен с другим -входом синхронного детектора и с входом .азимутального модулятора, установленного между преобразователем силы тока в угол поворота плоскости поляризации и двухлучевой поляризационной призмой, регистрирунщий прибор, вход которого череа заграждающий фильтр подключен к выходу блока вычитания 2 3.

Недостатки указанного устройства определяются невысокой точностью измерения, обусловленной возможными смещениями преобразователя силы тока в угол поворота плоскости поляризации. Погрешности от названных смещений особенно сильно проявляются из-за отсутствия жесткой связи данного преобразователя с источником и приемниками света. Кроме того, при оптической связи по воздуху имеют место существенные экслуатационные неудобства, вызванные необходимостью тщательной первоначальной юстировки и за качеством юстировки в процессе работы вследствие влияния влажности, запыленности и других аналогичных внешних факторов. Применение для оптической связи световодов, в частности стекловолоконных жгутов, в принципе позволяет устранить перечисленные недостатки. Однако, выпускающиеся в настоящее время жгуты представляют собой практически идеальные деполяризаторы и являются непригодными для передачи поляризованного света. В связи с эти при ихиспользовании вся поляризационная система должна располагаться на высоком потенциале. Совершенно очвидно, что наличие в известном устройстве азимутального модулято;ра, гальванически связанного с ниэкотютенциальным генератором частоты модуляции, фактически исключает возможность подобного расположения функциональных блоков.

I Tf-

целью изобретенп являетсч повышение точности измерения- силы тока.

Поставленная цель достигается тем что в устройство для бесконтактного измерения силы тока, содержащее источник света постоянной мощности, оптически связанный с поляризатором, преобразователь силы тока в угол поворота плоскости поляризации, двухлучевую поляризационную призму, установленную перед двумя фотоприемниками, выхода которых подключены к сигнальным входам соответствукяцих усилителей фототока, блоки суммирования и вычитания, входы которых соединены с выходами усилителей фототока, первый дифференциальный усилитель автоматической регулировки усиления, входы которого подключены выходу синхронного детектора и шине нулевого потенциала, а выход - к управляющему входу первого усилителя фототока, второй дифференциальный усилитель автоматической регулировки усиления, один из входов коTQporo соединен с выходом источника опорного напряжения, а выход - с управляющим входом второго усилител фототока, селективный усилитель, выход которого подключён к одному из входов синхронного детектора, генератор частоты модуляции, выход которого соединен с другим входом синхронного детектора, регистрирующий прибор, вход которого подключен к выходной цепи блока вычитания, введены дополнительный источник света, смеситель световых потоков, фильтр высокой частоты, два фильтра низкой частоты, выпрямитель и дополнительный блок вычитания, а генератор частоты модуляции выполнен в виде генератора прямоугольных импульсов со скважностью, равной двум причем дополнительный источник света посредством световода связан со смесителем световых потоков, установленным между преобразователем силы тока в угол поворота плоскости поляризации и двухлучевой поляризационной призмой, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с управляющим входом дополнительного источника света, входы фильтра высокой частоты и первого фильтра низкой частоты подключены к выходу блока суммирования, вход выпрямителя соединен с выходом фильтра высокой частоты, а выход - с входом второго фильтра низкой частоты, входы дополнительного блока вычитания подключены к выходам обоих фильтров низкой частоты/ а выход - к другому входу второго дифференциального усилителя автоматической регулировки усиления, вход селективного усили.теля соединен с выходом основного блока вычитания.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства для бесконтактного измерения силы, тока.

Источник 1 света (лазер или светодиод) постоянной мощности (увязан через световод 2 с входом поляризатора 3, вслед за которым установлены преобразователь 4 силы измеряемого тока в угол поворота плоскости поляризации (ячейка Фарадея), смеситель 5 световых потоков и двухлучевая поляризационная призма (анализатор) 6 Поляризатор 3, преобразователь 4, смеситель 5 и призма 6 представляют собой единую конструкцию, располагающуюся на высоком потенциале. Смеситель 5 через световод 7 связан с дополнительным (импульсно-модулированным) источником 8 света, управляющий вход которого соединен с выходом генератора 9 прямоугольных импульсов со скважностью, равной двум. Два выхода

0 двухлучевой поляризационной призмы 6 подключены к входам фотоприемников (фотодиодов) 10 и. 11 посредством световодов 12 и 13. Все используемые в устройстве световоды выполнены в виде стекловолоконных жгу5тов. Выходы фотоприемников 10 и 11 соединены с сигнальными входами усилителей 14 и 15 фототока, соответственно. Последние являются усилителями с регулируемыми коэффици0ентами передачи, их выходы подключены к входам блоков вычитания 16 и суммирования 17. Выход блока 16 вычитания соединен непосредственно с регистрирующим прибором 18, в ка5честве которого могут быть использованы вольтметр, осциллограф и т.п. Кроме того, выход блока 16 вычита|ния через селективный усилитель 19 и синхронный детектор 20 подключен

0 к одному из входов дифференциального усилителя 21 автоматической регулировки усиления, другой вход которого соединен с шиной нулевого потенциала (заземлен). Выход диф5ференциального усилителя 21 подключен к управляющему входу усилителя 14 фототока. Опорный вход синхронного детектора 20 соединен с выходом генератора 9 прямоугольных импульсов. Выход блока 17 суммирования через

0 .последовательно включенные фильтр 22 высокой -частоты,выпрямитель (двухполупериодный) 23 и фильтр 24 низкой частоты подключен к одному из входов блока 25 вычитания, а через

5 фильтр 26 низкой частоты - к другому его входу. Выход блока 25 вычитания соединен с одним из входов дифференциального усилителя 27 ав- . тематической регулировки усиления,

0 другой вход которого подключен к выходу источника 28 опорного напряжения.

Устройство работает следующим образом.

5

Свет от источника 1 с постоянной мощностью через световод 2. поступает на вход поляризатора 3. Линейно поляризованный свет,.выходящий из поляризатора 3 проходит через

0 преобразователь 4 силы измеряемого токаЭ зцХ S угол поворота плоскости поляризации. Пучок света, прошедший преобразователь 4 и испытавший поворот плоскости поляризации, через смеситель 5 световых потоков посту5

пает на двухлучевую поляризационную призму 6, Смеситель 5 обеспе ивает поступление на вход призмы б двух пучков: основного, выходящего из преобразователя 4, линейно поляризованного и имеющего азимут плоскости поляризации, зависящий от поворота плоскости поляризации, и вспомогательного, приходящего через световод 7 от дополнительного источника 8 света и модулированного прямоугольными импульсами от генератора 9. В простейшем случае смеситель 5 может представлять собой полупрозрачную пластинку, с выхода которой суммартный поток поступает на вход призмы б, которая разделяет падгиощий поток на две части, имеющие ортогональную поляризацию. Азимут призмы б выбирается таким образом, что выходящие из него пучки линейно поляризованного света имеют азимуты поляризации отличающиё.ся на ±45 от азимута поляризации света, выходящего из поляризатора 3.

После призмы-б вьаходные пучки по световодам 12 и 13 направляются на фотоприемники 10 и 11, которые преобразуют падающие на них потоки излучения в электрические сигналы. Электрические сигналы с выходов фотоприемников 10 и 11 проходят через усилители 14 фототока, и поступают на входы блоков вычитания 16 и суммирования 17. Наличие переменной составляющей напряжения частоты модуляции на выходе блока 16 выгчи танин свидетельствуют о нарушении условия, необходимого для исключения погрешности от неодинаковых чувствительностей фотоприемников 10 и 11 и от неодинаковых коэффициентов пропускания световодов 12 и 13. Для исключения этой погрешности переменная составляющая напряжения частоты модуляции с выхода блока вычитания 16 усиливается селективным усилителем 19, детектируется синхронным детектором 20 и поступает на дифференциальный усилитель 21. С помощью выходного напряжения дифференциального усилителя 21 изменяется коэффициент передачи усилителя 14 фототока практически до исчезновения переменной составлякидей напряжения на выходе блока вычитания 16.

Так образуется одна петля обратной связи.

Для стабилизации чувствительности (коэффициента преобразования)

всего устройства в целом необходимо из постоянной составляющей напряжения на выходе блока 17 суммироваия исключить постоянную составляющую напряжения, обусловленную импульсно модулированным источником 8 света. Для этого к выходу блока 17 суммирования подключен фильтр-22 высокой частоты, который выделяет переменную составляющую напряжения. Выделенная переменная составляющая выпрямляются выпрямителем 23 и через фильтр 24 низкой частоты поступает на один из входов блока 15 вычитания, на.другой вход.которого через фильтр 26 низкой частоты подается постоянная составляк)щая выходного напряжения блока 17 суммирования. На выходе блока 15 вычитания напряжение соответствует суммарному сигналу, обусловленному действием только источника света 1 постоянной мощности. Выходное напряжение блока 25 вычитания поступает на один из входов дифференциального усилителя 27, на другой вход которого подается постоянное напряжение от источника 28 опорного напряжения. Выходное напряжение дифференциального усилителя.27 поступает на управляющий вход усилителя 15 фототока, в котором осу1цествляется коэффициент передачи до тех пор, пока выходное Напряжение блока 25 вычитания не равным опорному. Так образуется вторая петля обратной связи. Одновременная работа двух neTefib обратной связг: позволяет исключить аддитивную и мультипликативную погрешности, возникающие от изменений потоков излучения источников света, чувствительностей приемников, коэффициентов светопропускания элементов. С выхода блока 16 вычитания напряжение, пропорциональное мгновенным значениям измеряемого тока, поступает на егистрирующий прибор 18.

Предлагаемое устройство, по сравнению с известньми, характеризуется повышенной точностью измерения. Кроме того, устройство является удобным в обслуживании и обладает универсальностью, позволяющей использовать его при различных рабочих наряжениях без изменения конструкии основных функциональных у.злов. При этом частотный диапазон измерямого тока может быть весьма широим, начиная от постоянного тока и кончая сотнями и более килогерц.

IfVt

Fi

fffff tfff ffff mr/y efffjr

N

7 / /fff/ i ffnf

f, L x:

УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ СИЛЫ ТОКА, содержащее источник света постоянной мощности, оптически связанный с поляризатором, преобраз,ователь силы тока в угол поворота плоскости поляризации, двухлучевую поляризационную призму, установленную перед двумя фотоприемниками, выходы которых подключены к сигнальным входам соответствующих усилителей фототока, блоки сунадирования и вычитания, входы которых соединены с выходами усилителей фототока, первый дифференциальный усилитель автсмлатической регулировки усиления, входы которого подключены к выходу синхронного детектора и шине нулевого потенциала, a выход - к управляющему входу первого усилителя фототока, второй дифференциальный усилитель автоматической регулировки усиления, один из входов которого соединен выходом источника опорного напряжения, a выход - с управляющим вхо- , дом второго усилителя фототока, селективный усилитель, выход которого . подключен к одному из входов синхронного детектора, генератор частоты модуляции, выход которого соединен с другим входом синхронного детектора, регистрирующий прибор, вход которого подключен к выходной цепи блока вычитания, о т л и.чающе е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в него введены дополнительный источник света, смеситель световых потоков, фильтр высокой частоты, два фильтра низкой частоты, выпрямитель и дополнительный блок вычитания, a генератор частоты модуляции выполнен в .виде генерато pa прямоугольных импульсов со скважностью, равной двум. Причем допол(Л нительный источник света посредстс вом световода связан со смесителем световых потоков, установленным между преобразователем силы тока в угол поворота плоскости поляризации и двух лучевой поляризационной призмой, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с управляющим входом ю ьо дополнительного источника -света, входы фильтра высокой частоты .и первого фильтра низкой частоты подклюо ел чены к выходу блока суммирования, вход выпрямителя соединен с выходом фильтра высокой частоты, a выход - с 00 входом второго фильтра низкой частоты, входы дополнительного блока вычитания подключены к выходам обоих фильтров низкой частоты, a выход - к другому входу второго дифференциального усилителя автоматической регулировки усиления, вход селективного усилителя соединен с выходом основного блока вычитания.