Устройство для измерения тока Советский патент 1984 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к-электроизмерительной технике и может быть использовано для измерений постоянных и переменных токов в высоковольтных цепях электрофизических и электротехнических установок.

Известно устройство для измерения тока в линии высокого напряжения, содержащее измерительный элемент, например шунт, включенный последовательно в цепь линии, два светоизлучателя, выполненные в виде двух соединенных параллельно-встречно светодиодов, подключенных через ограничиваю1дай резистор к выходу измерительного элемента, два фотоприемника - фототранзистора, оптически раздельно связанных посредством световодов с указанными светоизлучателями, и усилител-ь фототока фотоприемников, выполненный в виде дифференциального усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью по напряжению, входы которого присоединены к эмиттерам фототранзисторов, а.выход связан с измерительным прибором ij .

Такое устройство имеет недостаточную линейность характеристики, обусловленную значительной нелинейностью начальной части характеристики светоизлучателей, недостаточную температурную и временную стабильность, а также малое быстродействие, обусловленНое свойствами светоизлучателей и фотоприемников.

Известно также устройство для-измерения тока, содержащее входной измерительный преобразователь, светоизлучатель в виде светодиода, присоединенный через ограничивающий резистор к выходу указанного измерительного преобразователя, фотоприемник, выполненный в виде фототранзистора, оптически связанного со светоизлучателем, усилитель фототока, вход которого связан с выходом фототранзистора, и выход.подключен к выходу устройства. В устройство введена коррек.тирующая цепь отрицательной обратной связи по напряжению, выполненная посредством оптопары, светоизлучатель которой включен параллельно выходу устройства, а выход фотоприемника электрически связан с инвертирующим входом усилителя фототока 2J .

Недостатки данного устройства относительно низкая временная стабильность характеристики устройства

И ограниченная рабочая полоса частот измеряемого сигнала, обусловленные неидентичностью изменения параметров фотоприемников и их ограниченным быстродействием.

Наиболее бпизким по технической сущности к предлагаемому является устройство для измерения тока, содержащее входной измерительньй преобразователь, согласующий усилитель,связанный своим входом с измерительным преобразователем, два последовательно соединенных светоизлучателя, присоединенных к выходу согласующего усилителя, усилитель фототока, выход которого соединен с измерительным прибором, и два фотоприемника, один из которьк соединен с входом согласующего усилителя, а другой присоединен к входу усилителя фототока, причем | каждый фотоприемник оптически связан с одним из светоизлучателей Sj .

Известное устройство имеет значительную погрешность измерения, обусловленную недостаточной линейностью характеристики в области малых токов, недостаточной временной и температурной стабильностью, связанной с изменением характеристик светоизлучателей и фотоприемников, а также относительно низким быстродействием, ограниченным частотными свойствами фотоприемников.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измере.-ния тока, содержащее входной измерительный преобразователь, первый и второй светоизлучатели, первый и второй фотоприемники, оптически раздельно связанные с одноименными светоизлучателями, согласующий усилитель,вход которого соединен с выходом указанного измерительного преобразователя, а выход связан с одним выводом первого светоизлучателя, усилитель фототока, к входу которого присоединен один вывод первого фотоприемника, и измерительный прибор, соединенньш с выходом усилителя фототока, дополнительно введены третий и четвертый светоизлучатели, оптически раздельно связанные соответственно с первым и вторым фотоприемниками, присоединен-, ные одними выводами к выходу усилителя фототока, один вывод второго светоизлучателя присоединен к выхо31

ду согласующего усилителя, один вывод .второго фотоприемника связан с входом усилителя фототока, а другие выводы первого и второго, третьего и четвертого светоизлучателей, первого и второго фотоприемников присоединены раздельно к противоположным полюсам введенных источников напряжения смещения.

На чертеже представлена прингщпиальная электрическая схема устройства.

Устройство содержит входной измери тельный преобразователь 1, например шунт, соединенный с входом согласующего, усилителя 2, первый и второй светоизлучатели 3 и 4, выполненные, например, в виде светодиодов, оптически, связанные соответственно с фотоприемниками 5 и 6, усилитель 7 фототока, третий и четвертый светоизлучатели 8 и 9, также оптически раздельно связанные с фотоприемниками

5и 6 соответственно, и измерительный прибор 10, подключенный к выходу усилителя 7 фототока.. Светоизлучатёли 3 и 4, 3 и 5 одними выводами присоединены соответственно к выходу согласующего усилителя 2 и к выходу усилителя 7 фототока, а фотоприемники 5 и 6 также одними выводами связаны с входом усилителя 7 фототока. Дру гие выводы светоизлучателей 3 и 4,

8 и. 9 и фотоприемников 5 и 6 присоединены раздельно к противоположным полюсам источников напряжения Е, Eg и ЕЗ смещения.

Оптическая связь между светоизлучателями 3 и 4 и фотоприемниками 5 и

6обеспечивает гальваническую развязку измерительной части устройства от его регистрирующей части и может быть выполнена, например, на основе волоконно-оптических световодов, обеспечивающих практически любые необходимые напряжения развязки. Согласующий усилитель 2и-усилитель 7 фототока могут быть выполнены, например, на дифференциальных операционных усилителях, охваченных параллельной отри- цательной обратной связью по напряжению. Фотоприемники 5 и 6 могут быть также присоединены к входу усилителя

7фототока по мостовой схеме.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии контролируемого тог ка через входной измерительный преобразователь 1, например шунт, вход2934

ное и выходное напряжения согласующего усилителя 2 также равны нулю, а через светоизлучатели 3 и 4 протекают начальные токи, определяемые последовательно включенными с ними резисторами и напряжением смещения Е. Величину этих токов выбирают в наиболее линейной области характеристики светоизлучателей. Излучение светоизлучателей 3 и 4 поступает на фотоприемники 5 и 6.

На эти же фотоприемники поступает и излучение светоизлучателей 8 и 9, включенных на выход усилителя 7 фототока по схеме, идентичной схеме включения светоизлучателей 3 и 4. Схема в целом балансируется таким образом, чтобы напряжение на выходе устройства было равно нулю. Балансировка мо- .

жет осуществляться как электрически, так и оптически - путем изменения соотношения световых потоков, падающих на фотоприемники. При этом входной сигнал усилителя 7 фототока определяется разностью фототоков фотоприемников 5 и 6, поэтому синфазные (временные, температурные, радиационные) изменения этих токов практически не влияют на выходное напряжение устройства, взаимно компенсируются также темновые токи однотипных фотоприемников 5 и 6.

При наличии контролируемого тока DX, протекающего через входной измерительный преобразователь 1, например шунт, на его выходе возникает напряжение, которое поступает на согласующий усилитель 2, усиливающий это напряжение до уровня, необходимого для оптимальной-работы светоизлучателей 3 и 4. При этом ток, протекающий че- -рез один светоизлучатель (для определенности 3), увеличивается, а через другой - уменьшается. Соответственно световой поток, падающий на фотоприемник 5, увеличивается, а на фотоприемник 6 - уменьшается. Очевидно,что такое противофазное изменение световых потоков излучателей 3 и 4 приводит к появлению на выходе усилителя

7 фототоков отрицательного напряжения соответствующей величины. В этом случае ток, протекаюи1лй через свето- излучатель 8, уменьшается, а через светоизлучатель 9 - увеличивается.

Следовательно, суммарньм световой поток, падаюпщй на каждый фотоприемник, поддерживается с помощью усилителя 7 фототока на неизменном уровне. Та51КИМ образом, фотоприемники 5 и 6, включенные на вход усилителя 7 фототока, посредством Передачи на них световых сигналов, определяемьк выходным напряжением усилителя 7 фототока, оказываются охваченными жесткой отрицательной обратной связью. При достаточно большом коэффициенте усиления усилителя 7, фототока и идентичных светоизлучателях 3, 4, 8, 9,а также при одинаковьк коэффициентах передачи световых потоков на фотоприемники 5 и б выходное напряжение усилителя 7 фототока равно выходному напряжению согласующего усилителя 2, т.е. пропорционально величине измеряе мого тока Ох В случае разных коэффициентов передачи световых потоков на фотоприемники 5 и 6 от светоизлуча телей 3 и 4, 8 и 9, выходное напряжение усилителя 7 фототока также пропорционально выходному напряжению уси лителя 2,причем коэффициент пропорцио нальности зависит от степени неравенства коэффициентов передачи. Выходное напряжение устройства, возникающее на выходе усилителя 7 фототока, региctpиpyeтcя измерительным прибором 10,показания которого пропорциональны величине контролируемого тока Зу . Предлагаемое устройство имеет большую линейность характеристики в области малых токов, так как светоизлучатели при этом работают в режи,ме, близком к начальному, т.е. в наиболее линейной части их характеристик . При измерении больших токов линейность характеристики устройства также выше, поскольку нелинейность харак 93 теристик фотоприемников не влияет, в отличие от известного устройства на линейность передаточной характеристики устройства в целом. Это связано с тем, что фотоприемники в предлагаемом. устройстве работают в наиболее оптимальном для них режиме - при практически постоянной освещенности, т.е. При неизменной рассеиваемой на них мощности, причем величина освещенности может быть выбрана такой, чтобы полезный фототок был значительно больше темнового, что повышает стабильность работы предлагаемого устройства. Предлагаемое устройство имеет более высокую температуру и временную стабильность, обусловленную полной симметрией его оптоэлектронного тракта и близким расположением фотоприемников один относительно другого, находящихся вследствие этого практически в одинаковых температурных условиях, а также повьш1енное быстродействие, связанное с наличием жесткой отрицательной обратной связи, охватывакщей фотоприемники, снижающей их эквивалентную постоянную времени i Кроме того, предлагаемое устройство более устойчиво к изменению напряжений питания и смещений, так как все светоизлучатели и фотоприемники включены в нем по дифференциальным схемам,и позволяет измерять токк обеих полярностей. Использование предлагаемого устройства позволяет повысить точность измерений.в условиях изменения внешних влияний и параметров оптоэлектронньк элементов.

УСТРОЙСТВО ЛЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА, содержащее входной измерительный преобразователь, первый и второй светоизлучатели, первый и второй фотоприещики, оптически раздельно связанные fc одноименными светоизлучателями, согласующий усилитель, вход которого соединен с выходом указанного измерительного преобразователя, а выход святан с одним выводом первого светоизлучателя, усилитель фототока, к входу которого присоединен один вывод первого фотоприемника, и измерительный прибор, соединенный с выходом усилителя фототока, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерения, в него дополнительно.введены третий и четвертый светоизлучатели, оптически раздельно связанные соответственно с первым и вторым фотоприемниками, присоединенные одними выводами к выходу усилителя фототока, один вывод второго светоизлучателя присоединен с выходу согласующего усилителя, один вывод второго фотоприемника связан с входом усилителя фотото(Л ка, а другие выводы первого и второс го, третьего и четвертого светоизлучателей, первого и второго фотоприемников раздельно присоединены к противоположным полюсам введенных источников напряжения смещения.