Измерительный преобразователь постоянного тока Советский патент 1987 года по МПК G01R19/20 

тиль соединен с вторым входным выводом генератора возбуждения, пятьш ключ коммутатора, включен между первым полюсом источника питания постоянного Toka и первым входным выводом генератора возбуждения, подви ный контакт потенциометра соединен с вторым вьшодом сигнального входа фазового детектора, выход демодулятора соединен с вторым входом сумматора аналоговых сигналов, первый и второй входные выводы демодулятора через шестой и седьмой ключи коммутатора соединены с необъединенными вьшодами сигнальных обмоток магнитного компаратора, объединенный вывод которых подключен к третьему входному выводу демодулятора.

2. Преобразователь по п.1, о т -. личающийся тем, что генератор возбуждения содержит задающий генератор основной и удвоенной частот, выход удвоенной частоты которого является одноименным выходом генератора возбуждения, и усилитель мощности, выполненный в виде моста на транзисторах, коллектор-эмиттер- ные переходы которых зашунтированы

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначен для использования при измерениях постоянных токов большой величины.

Целью изобретения является повы- шение надежности работы преобразователя в автоматическом режиме.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Основу магнитного компаратора 1 составляют магнитопроводы 2 и 3, обмотки 4 и 5 возбуждения, сигнальные обмотки 6 и 7, рабочие обмотки 8 и 9 магнитный экран 10, компенсационная 11 и измерительная 12 обмотки.Магнитопроводы 2 и 3 с обмотками 4 и 5 возбуждения, сигнальными 6 и 7 и рабочими 8 и 9 обмотками помещены в магнитный экран 10, поверх которого размещены компенсационная 11 и изобратно включенными диодами, базовые цепи подключены к соответствующим выходам основной частоты задающего генератора, объединенный вывод эмиттеров и объединенный вьгоо д коллекторов являются соответственно первым и вторым входными выводами, а два объединенных вьшода эмиттеров с коллекторами - первым и вторым выходными выводами генератора возбуждения .

3, Преобразователь по п.1, о т - личающийся тем, что демо- |цулятор содержит четыре конденсато- (Ра, включенных последовательно между выходными выводами демодулятора и попарно зашунтированных резисторами, первый и второй диоды, соединенные анодами с крайними в цепи обкладками первого и четвертого конденсаторов , другие обкладки которых подключены к первому и второму входным вьгоодам демодулятора, и третий диод, анод которого соединен с катодами первого и второго диодов и с третьим входным выводом демодулятора, а катод - с объединенными обкладками второго и третьего конденсаторов.

мерительная 12.обмотки. Выводы последней подключены к входным клеммам 13 и 14 преобразователя.

Генератор 15 возбуждения содержит заданлций генератор 16 основной и удвоенной частот и усилитель мощности, выполненньй в виде моста на транзисторах 17-20, коллектор-эмиттерные переходы которых зашунтированы обратно включенными диодами 21-24. Базовые цепи транзисторов 17-20 подключены к соответствующим выходам основной частоты задающего генератора 16. Выход удвоенной частоты задающего генератора 16 является одноименным выходом генератора 15 возбуждения. Выходные выводы усилителя мощности (транзисторного моста) являются выходными вьшодами 25, 26 генератора 15 возбуждения и вьшодами потенциометра 27.

3

Усилитель 28 постоянного тока (УПТ) рассчитан на полный ток компесации, к его выходу подключены последовательно компенсационная обмотк 11 и эталонный резистор 29. Сигнальные выводы эталонного резистора 29 подключены к выходным клеммам 30 и 131 преобразователя.

Оперативное изменение структуры преобразователя осуществляется с помощью коммутатора 32, в который входят ключи 33-39. Коммутатор 32 управляет сигналами, поступающими от блока 40 управления, сигнальные выходы которого подключены к выходам датчиков 41 и 42 насьщения магнито- проводов.

В состав преобразователя входят также сумматор 43 аналоговых сигналов, фазовый детектор 44, последовательный LC-контур 45, источник 46 питания постоянного тока, силовой электрический вентиль 47 и демодулятор, включающий в себя диоды 48-50, конденсаторы 51-54 и резисторы 55, 56. Конденсаторы 51-54 демодулятора соединены последовательно, пря этом крайняя в цепи обкладка конденсатор 51 подключена к первому выходному выводу демодулятора. К этому.же выводу демодулятора подключены анод диода 48 и необъединенньш вьтод резистора 55. Крайняя в цепи обкладка конденсатора 54 подключена ко второму выходному выводу демодулятора. К этому же выводу демодулятора подключены анод диода 50 и необъединенный вывод резистора 56.

I

Соединенные обкладки конденсаторов 51 и 52 подключены к первому входному выводу демодулятора, а соединенные обкладки конденсаторов 53 и 54 - к его второму входному выводу. Катоды диодов 48 и 50 и анод диода 49 подключены к третьему входному выводу демодулятора. Катод диода 49 соединен с объединенным вьгео- дом резисторов 55 и 56, а также с соединенными обкладками конденсаторов 52 и 53.

Обмотки 4 и 5 возбуждения, сигнальные 6 и 7 и рабочие 8 и 9 обмотки магнитного компаратора 1 намотаны соответственно по одной на каждый магнитопровод 2 и 3. В каждой из указанных пар обмотки включены последовательно .

)0

533064

Выходной вывод 25 основной частоты генератора 15 возбуждения соединен с необъединенным выводом обмотки 4 возбуждения через последователь- 5 но включенные датчик 41 насыщения магнитопроводов и ключ 34 коммутатора 32. Выходной вывод 26 основной частоты генератора 15 возбуждения соединен непосредственно с необъединенным вьгоодом обмотки 5 возбуждения, а через последовательно включенные ключи 35 коммутатора 32 и LC- сонтур 45 - с выходным выводом 25. Объединенный вывод обмоток 4 и 5 возбуждения через ключ 37 коммутатора 32 соединен с соответствующими - выводами сигнального входа фазового детектора 44. Другой вывод сигнального входа фазового детектора 44 соединен с подвижным контактом потенциометра 27.

Управляющий вход фазового детектора 44 подключен к выходу удвоен- ус НОЙ частоты генератора 15 возбуждения. Выход фазового детектора 44 подключен к первому входу сумматора 43 аналоговых сигналов, второй вход которого соединен с выходом демодулятора. Выход сумматора 43 подключен

20

30

к входу УПТ 28.

Необъединенный вывод рабочей обмотки 9 соединен с первым входным выводом генератора 15 возбуждения

(с эмиттерной шиной транзисторного моста), а необъединенный вывод рабочей обмотки 8 через последовательно включенные ключ 33 коммутатора 32 и датчик 42 насыщения магнитопроводов с соответствующим полюсом источника 46 питания постоянного тока. С этим же полюсом источника 46 через ключ 36 коммутатора 32 соединена эмиттер- ная шина транзисторного моста. Коллекторная шина этого моста, являющаяся вторым входным вьгоодом генератора 15 возбуждения, через включенный в прямом направлении силовой электрический вентиль 47 соединена с другим полюсом источника 46.

Первьй и второй входные вьшоды демодулятора через ключи 38 и 39 коммутатора 32 соединены соответственно с необъединенными вьшодами сигнальных

обмоток 6 и 7. Объединенньо вьшод обмоток 6 и 7 соединен с третьим вход- ньм выводом- демодулятора.

Устройство работает следующим образом.

В зависимости от режима измерительного преобразователя его структура изменяется. Можно выделить два режима работы; рабочий режим и режим ввода. Совокупности элементов и связей, обеспечивающей рабочий режим, измерительного преобразователя при- своело (для кратности) наименование структура 1, а совокупности элементов и связей, обеспечивающей режим ввода - структура II.

В рабочем режиме (структура I) замкнуты кхпочи 34, 36 и 37, остальные разомкнуты. На обмотки 4 и 5 возбуждения поступает напряжение возбуждения с выхода генератора 15 возбуждения. В этом режиме намагничивающая сила (н.с.) ,, действукщая на магнитопроводы 2 и 3 и магнтиньй экран 10, уравновешивается н.с, где 1«о постоянная составляющая измеряемого тока, постоянный ток компенсации на выходе УПТ 28,

W,.

и W, количество витков соответ- дит за измеряемым током

ственно измерительной 12 и компенсационной 11 обмоток.

Режим равновесия магнитного компаратора t поддерживается с помощью контура отрицательной обратной связи. При нарушении равновесия, т.е, при появлении постоянного подмагни- чивания магнитопроводов 2 и 3, на объединенном вьюоде обмоток 4 и 5 возбуждения появляется напряжение удвоенной частоты модуляции, амплитуда и фаза которого определяются величиной и знаком рассогласования ампервитков ilW W Напряжение удвоенной частоты снимается с указанного объединенного вывода относительно подвижного контакта потенциометра 27 и через замкну- тьй ключ 37 подается на сигнальный вход фазового детектора 44. С помощью потенциометра 27 осуществляется балансировка управляющего входа фазового детектора относительно напряжения возбуждения. При точной балансировке сигнал первой гармоники частоты возбуждения на указанном входе отсутствует.

Сигнал удвоенной частоты детектируется фазовым детектором 44. Постоянная составлякядая напряжения (управлянщее напряжение) на выходе фазового детектора 44 по величине и знаку зависит соответственно от величины и знака разбаланса ампервит 5 Ьтся его мерой. Связь меж роками описьгаается соотно ли допустимо пренебречь в статического рассогласова

30

Как уже отмечалось выш постоянные или, точнее, м няющиеся величины, жестка

35 ДУ которыми обеспечиваетс контура отрицательной обр Что же касается переменно ющей измеряемого тока, то составляющая из измерител

40 ки 12 трансформируется в онную обмотку 11,поскольк наличию магнитного экрана обмотками 12 и 11 существ магнитная связь и при мал

45 сопротивлении R в цепи экран 10,обмотки 11, 12 р трансформатор переменного (Здесь Rj. + R; - RK величина эталонного резис

50 R; - выходное сопротивлен R - активное соп ротивлен ки 11.

В соответствии с излож

55

п

W,. -с 1„ W

-vM

и

мгновенны

переменной составляющей и

ков ilW. Управляющее напряжение поступает на первый вход сумматора 43 аналоговых сигналов. На второй его вход сигнал в это время не поступает, так как в структуре I ключи 38 и 39 разомкнуты и вход демодулятора отключен от источника сигнала. Поэтому на выходе сумматора 43 воспроизводится выходное напряжение фазового детектора 44, которое и поступает на вход УПТ 28. Под действием этого напряжения ток I в обмотке 11 изменяется и, если 6 , режим равновесия восстанавливается с точностью до величины статического рассогласования (здесь - предельное значение разбаланса, при котором рабочая точка магнитного компа20

ратора

ного нуля

1 остается в области истинТаким образом, благодаря описанному действию контура отрицательной

дит за измеряемым током

обратной связи ток 1,, „ строго слеI д и явля 5 Ьтся его мерой. Связь между этими роками описьгаается соотношением (если допустимо пренебречь величиной статического рассогласования):

30

(О

и I.

Как уже отмечалось выше 1„д г, постоянные или, точнее, медленно меняющиеся величины, жесткая связь меж35 ДУ которыми обеспечивается действием контура отрицательной обратной связи Что же касается переменной составляющей измеряемого тока, то указанная составляющая из измерительной обмот40 ки 12 трансформируется в компенсационную обмотку 11,поскольку благодаря наличию магнитного экрана 10 между обмотками 12 и 11 существует прямая магнитная связь и при малом суммарно

45 сопротивлении R в цепи обмотки 11 экран 10,обмотки 11, 12 работают как трансформатор переменного тока. (Здесь Rj. + R; - эт - величина эталонного резистора 29,

50 R; - выходное сопротивление УПТ 28, R - активное соп ротивление обмотки 11.

В соответствии с изложенным

55

п

W,. -с 1„ W

(2)

-vM

и

мгновенные значения

переменной составляющей измеряемого

и компенсирующего токов соответс . вен- но, а с учетом соотношения (1)

+ 1

(I,.

+ 1

),

или

1.

i,W,/W,

где

Iw

IKO +

1ио +

Соотношение (3) показьгоает, что мгновенное значение тока в цепи компенсационной обмотки 11 является мерой мгновенного значения измеряемого тока в измерительной обмотке 12, разумеется, с точностью до погрешности следящего контура отрицательной об- ратной связи и трансформатора переменного тока.

С помощью эталонного резистора 29 ток ц преобразуется в напряжение, которое и поступает на выходные клеммы 30 и 31 преобразователя. Заметим, что благодаря использованию в структуре I в качестве детектора разбаланса компарируемых ампервитков магнитного модулятора с удвоением частоты достигается высокая точность преобразования 1,, в IKOРассмотрим, каким образом в процессе работы преобразователя обеспечивается реализация структуры I. Выходной сигнал датчика насыщения магнитопроводов имеет низкий уровень если значение тока в измерительной цепи датчика ниже определенного порогового значейия, в противном случа выходной сигнал датчика имеет высокий уровень. Оба датчика 41 и 42 устройства отвечают зтим условиям.

В рабочем режиме магнитопроводы 2 и 3 полностью размагничены,индуктивность обмоток 4 и 5 возбуждения велика и ток в измерительной цепи датчика 41 мал. Ток в измерительной цепи датчика 42 в рабочем режиме равен нулю (ключ 33 разомкнут). Поэтому в рабочем режиме на оба входа блока 40 управления поступают сигналы низкого уровня. При этом условии в блоке 40 управления вьфабатьюаются команды, обеспечивающие замкнутое состояние ключей 34, 36, 37 и разомкнутое состояние остальных ключей коммутатора 32.

-

15

20 2533068

Нарушение рабочего режима приводит к насьщению магнитопроводов 2 и 3, ток в цепи обмоток 4 и 5 возбуждения (и, соответственно, в из- 5 мерительной цепи датчика 41) резко увеличивается и на выходе датчика 41 появляется сигнал высокого уровня. При подаче на один из входов блока 40 управления сигнала высокого уровня О в последнем вырабатьгеаются команды, обеспечивающие замкнутое состояние ключей 33, 35, 38 и 39 и разомкнутое состояние ключей 34, 36 и 37. Такое состояние ключей коммутатора 32 соответствует режиму автоматического ввода магнитного компаратора 1 в рабочую зону. Измерительный преобразовательктуру II.

в этом режиме имеет стру

После перехода преобразователя в режим ввода ток в измерительной цепи датчика 41 насыщения становится равным нулю, чему соответствует низкий уровень сигнала на его выходе и : на соответствующем входе блока 40 управления. Однако на другом входе блока 40 в тот же момент появляется сигнал высокого уровня,так как в измерительной цепи датчика 42 насыщения протекает относительно большой ток рабочих обмоток 8 и 9 (больше порогового значения), обусловленный насыщением магнитопроводов 2 и 3 вследствие большого разбаланса ампервитков обмоток 11 и 12. Так как на одном из входов блока 40 управления есть сигнал высокого уровня, указанньй блок продолжает вырабаты- рать команды, обеспечивающие сохра- некие структуры II.

В режиме ввода к рабочим обмоткам 8 и 9 подводятся однополярные .импульсы тока: по зтим обмоткам протекает

ТОК, потребляемый транзисторньм мостом 17-20 от источника 46 питания постоянного тока. Этот ток представляет собой последовательность однопо- ляриых импульсов ТОК4, частота повторения которых в два раза выше основной частоты генератора 15 возбуждения. Указанные импульсы тока формируются с помощью последовательного LC-контура 45. Эта цепь через ключ

35 подключена к выходу основной частоты генератора 15 возбуждения. В каждый полупериод выходного напряжения генератора 15 возбуждения (т.е. выходного напряжения транзисторного

91

моста 17-20) происходит колебательный перезаряд конденсатора LC-кон- тура 45. Длительность перезаряда определяется параметрами ЬС контура 45 и выбирается примерно равной четвер- ти периода основной частоты reHepato ра 15 возбуждения. Электрический вен предотвращает разряд конденсатора LC-контура 45 в паузе между двумя соседними перезарядами его.

Детектирование разбаланса-ампер- витков обмоток 11 и 12 осуществляется в структуре II путем выпрямлени напряжения,образукидегося на сигнальных обмотках 6 и 7 при подаче одноп лярных импульсов в рабочие обмотки 8 и 9. Указанное выпрямление осуществляется демодулятором, включающим диоды 49-50, конденсаторы 51-54 и резисторы 55-56, При таком детектиро- вании разбаланса статическая характеристика магнитного компаратора 1 не имеет ложных нулей.

В момент перехода измерительного преобразователя в режим ввода разба- ланс ампервитков обмоток 11 и 12 велик. На выходе демодулятора появляется напряжение, которое поступает на второй вход сумматора 43. На пер- вьй вход сумматора 43 ;игнал не по

ступает, так как в структуре II ключи 34, 36 и 37 разомкнуты и на управляющем входе фазового детектора 44 напряжение удвоенной частоты отсутствует . Поэтому на выходе сумматора 43 воспроизводится выходное напряжение демодулятора, которое и подводится к входу УПТ 28. Под действием этого напряжения ток 1 в обмотке 11 изменяется до тех пор, пока разбаланс ампервитков обмоток 11 и 12 не уменьпштся до малого зна- чения (до величины действующего рас- ;согласования контура отрицательной обратной связи) . В установившем ся режиме связь между компарируемыми токами описывается соотношением (1).

6

10

Таким образом, условия для перехода от режима ввода в рабочий режим созданы: разбаланс ампервитков обмоток 11 и 12 магнитного Компаратора 1 мал, соблюдаются с запасом условия ввода в рабочую зону компаратора 1, имеющего статическую характеристику с ложными нулями.

Как только структура II приходит в равновесное состояние, ток в измерительной цепи датчика 42 уменьшается ниже порогового значения. Происходит изменение сигнала на выходе датчика 42: высокий уровень сменяется низким. Теперь на входы блока 40 управления поступают сигналы низкого уровня. Б блоке 40 выра- батьтаются команды, обеспечивающие переход ключей 34, 36 и 37 в замкнутое состояние, а остальных ключей коммутатора 32 - в разомкнутое. Структура II сменяется структурой I, устройство включается в рабочий режим.

25

В предложенном техническом решении, по сравнению с (2), исключены сложные электронные узлы, а именно, сумматор аналоговых сигналов, им30 пульсньй генератор и формирователь импульсов. Функции двух последних узлов выполняет оконечный каскад генератора 15 возбуждения, снабжен- ньш последовательным LC-контуром 45 и электрическим вентилем 47. При этом оконечньй каскад выполнен в виде транзисторного моста. Указанное совмещение функций достигнуто благодаря введению в магнитный компаратор 1 двух рабочих 8 и 9 и двух сигнальных 6 и 7 обмоток. Введение указанных обмоток позволило уменьшить количество ключей в коммутаторе 32. Кроме того, стало возможным сущест45 венно упростить демодулятор,исключив сумматор и упростив схему выпрямления.

35

40