Электрогирационное устройство для бесконтактного измерения высоких напряжений Советский патент 1987 года по МПК G01R15/24 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в высоковольтных установках.

Целью изобретения является расширение диапазона и повьшение точности измерений.

На фиг. 1 изображена функциональная схема электрогирационного устройства для бесконтактного измерения высоких напряжений; на фиг. 2 - схем аналогового функционального преобразователя; на фиг. 3 - то же, первый тип; на фиг. 4 - то же, второй тип,

Электрогирационное устройство содержит оптически связанные источник света, поляризатор 2, электрогираци- онные монокристаллы 3 и 4 центро- симметричного кристаллографического класса с оптически прозрачньми электродами на торцах, стержень 5 из оптически прозрачного стекла, призменный анализатор 6 с двойным лучепреломлением, выходы которого оптически связаны с входами первого 7 и второго 8 фотоприемников, и функциональный преобразователь 9, первый и второй входы которого соединены с выходами первого 7 и второго 8 фотоприемников . Измеряемое напряжение 11 подводится к оптически прозрачным электродам на торцах электрогирацион ных кристаллов 3 и 4. Причем в общем случае измерительный преобразователь может содержать N электрогира- ционных монокристаллов и М стержней из оптически прозрачного стекла с оптически прозрачными электродами на торцах стержней и монокристаллов. Стержни и монокристаллы между собой соединяются оптически последовательно в произвольном порядке. Измеряемо напряжение подводится к двум или нескольким электродам на торцах стержней и монокристаллов, что позволяет менять чувствительность преобразователя изменением места подключения измеряемого высокого напряжения. При подключении U, (сплошная линия, фиг. 1), т.е. когда монокристаллы включены электрически последовательно, чувствительность устройства минимальна, а верхний предел измеряемы напряжений высок. При подключении UQ к нескольким электродам (фиг. 1, пунктирная линия), т.е. при электрически параллельном включении монокристаллов, чувствительность повыша0

5

ется в два раза, что позволяет измерять с высокой точностью более низкие напряжения, т.е. расширить динамический диапазон измерений вниз.

Функциональньш преобразователь 9 (фиг. 2) состоит из четырех сумматоров 10-13, трех умножителей 14-16, двух о перационных усилителей 17 и 18 и четырех резис-Лров 19-22. Входы

сумматоров 10 и 11 подключены параллельно к первому и второму входам функционального преобразователя 9. Выход первого сумматора 10 соединен с первым входом первого умножите5 ля 14, второй вход которого соединен с первым выводом первого резистора 1 и с выходом первого операционного усилителя 17, неинвертирующий вход которого соединен с шиной 23 нулевого потенциала, а инвертирующий вход через второй резистор 20 соединен с выходом второго сумматора 11 и через третий резистор 21 - с выходом первого умножителя 14, неинвертирующий вход второго операционного усилителя 18 соединен с общей щиной 23, а инвертирующий вход - с вторым выводом первого резистора 19 и с первым выводом четвертого резистора 22, второй вывод которого соединен с первым входом третьего сумматора 12 и с выходом четвертого сумматора 13. Выход второго операционного усили- теля 18 соединен с вторым входом третьего сумматора 12, с первым и вторым входами третьего .умножителя 15, с первым.входом четвертого сум- . матора 13 и с выходом функционального преобразователя.

0 Второй вход четвертого сумматора 13 соединен с выходом четвертого умножителя 16, первый вход которого соединен с выходом третьего сумматора 12, а второй вход - с выходом

5 третьего умножителя 15.

Функциональный преобразователь 9 (фиг. 3) содержи вычислительный блок 24, блок 25 постоянной памяти, блок 26 оперативной памяти, два коммутатора 27 и 28, два буферных запоминающих элемента 29 и 30, два аналого-цифровых преобразователя 31 и 32, цифроаналоговый преобразователь 33, блок 34 вывода, блок 35 ввода, счетчик 36 адреса, два сумматора 37 и 38 и три шины: адреса 39, данных 40 и управления 41« Соответствующие входы вычислительного блока 34, бло0

5

0

ка 25 постоянной памяти и блока 26 оперативной памяти соединены соответственно с шинами данных 40, адреса 39 и управления 41. Соответствующие входы блока 35 ввода, блока 34 вы- 5 вода и коммутаторов 27 и .28 соединены соответственно с шинами данных 40 и управления 41, соответствующие входы буферных запоминающих элементов 29 и 30 соединены соответственно с О шинами данных 40 и управления 41, соответствующие входы счетчика 36 адреса соединены-с шиной адреса 39 и с шиной управления 41.

Входы сумматоров 37 и 38 подкЗтю- 5 чены параллельно первому и второму входам функционального преобразова-- теля 9. Выход первого сумматора 37 соединен с входом первого аналого- цифрового преобразователя 31, выход 20 которого соединен с соответствзпощим входом первого коммутатора 27. Выход второго сумматора 38 соединен с входом второго аналого-цифрового преобразователя 32, выход которого сое- динен с соответствующим входом второго коммутатора 28. Входы синхронизации аналого-цифровых преобразователей 31 и 32 соединены с шиной управдействием измеряемого напряжения U в электрогирационных монокристаллах 3 и 4 происходит поворот плоскости поляризации светового луча на угол

5 . Затем световой луч расщепляется призменным анализатором 6 на два, которые преобразуются фотоприемниками 7 и 8 с коэффициентом преобразования К, в напряжения U. и U,:

°Р

U,()K(1+sin25

Эг

);

и (1 /2)K(1-sin25,J.

Функциональный преобразователь 9 преобразует U, и U в напряжение

U| -Ul « с- Т7

УВЫХ arcsin ,,-К

и„

9Г Пр О

Т.е. выходное напряжение Ug, функционального преобразователя равно измеряемому UQ с точностью до постоянной - коэффициента преобразования, которьй рассчитывается теоретически и уточняется при калибровке устройства.

Функциональный преобразователь 9

„-. ооЧП (фиг. 2) работает следующим образом,

ления. Выходы первого 27 и второго „ „ ,

Первый сумматор 10 выполняет опе- коммутаторов соединены с соответствующими входами первого 29 и второго 30 буферных запоминающих элементов. Выход блока 34 вывода соединен с входом цифроаналогового преобразовате- 35 ля 33, выход которого является выходом устройства.

Функциональный преобразователь 9 (фиг. 4) содержит два аналого-цифровых преобразователя 42 и 43, блок 44 40 постоянной памяти, цифроаналоговый преобразователь 45. Вт . оды аналого- цифровых преобразователей 42 и 43 соединены соответственно с первым и вто,с f: напряжение на выходе и,, таким,

рым входами функционального преобра- 4i 1Г

разность напряжении между его входа- зователя, а вьгходы - с соответствую- - . г «j «

щими адресными входами блока 44 постоянной памяти, выход которого соединен с входом 46, выход которого является выходом устройства. 50

рацию суммирования напряжений U, и U и на его выходе образуется сумма

и.,.

Второй сумматор 11 выполняет операцию вычитания напряжений U, и U и на его выходе образуется разность

и„ и, sin2,r.

Операционный усилитель 17 работает в линейном режиме, поддерживая

и,7 таким, что

ми близка к нулю. Считая операционный усилитель идеальньм, можно полагать, что его входной ток, равен нулю, а напряжение на инвертирующем входе равно напряжению на неинвертирующем входе, т.е. тоже равно нулю, поэтому токи, протекающие через резисторы 20

-«

Устройство работает следующим образом.

Световой луч с интенсивностью генерируемый источником света 1, поляризуется поляризатором 2 и проходит оптическую систему из электрогирационных монокристаллов 3 и 4 и оптически прозрачного стержня 5. Hofj

5 О

2986694

действием измеряемого напряжения U в электрогирационных монокристаллах 3 и 4 происходит поворот плоскости поляризации светового луча на угол

5 . Затем световой луч расщепляется призменным анализатором 6 на два, которые преобразуются фотоприемниками 7 и 8 с коэффициентом преобразования К, в напряжения U. и U,:

°Р

U,()K(1+sin25

Эг

);

и (1 /2)K(1-sin25,J.

Функциональный преобразователь 9 преобразует U, и U в напряжение

U| -Ul « с- Т7

УВЫХ arcsin ,,-К

и„

9Г Пр О

Т.е. выходное напряжение Ug, функционального преобразователя равно измеряемому UQ с точностью до постоянной - коэффициента преобразования, которьй рассчитывается теоретически и уточняется при калибровке устройства.

Функциональный преобразователь 9

Первый сумматор 10 выполняет опе-

напряжение на выходе и,, таким,

1Г

рацию суммирования напряжений U, и U и на его выходе образуется сумма

и.,.

Второй сумматор 11 выполняет операцию вычитания напряжений U, и U и на его выходе образуется разность

и„ и, sin2,r.

Операционный усилитель 17 работает в линейном режиме, поддерживая

и,7 таким, что

разность напряжении между его входа- - . г «j «

ми близка к нулю. Считая операционный усилитель идеальньм, можно полагать, что его входной ток, равен нулю, а напряжение на инвертирующем входе равно напряжению на неинвертирующем входе, т.е. тоже равно нулю, поэтому токи, протекающие через резисторы 20

и 21,равны

и., /R,.U,/R

20

14

2(

где ,7- и,

,0 - напряжение на выходе умножителя 14. .

Следовательно, напряжение U на выходе операционного усилителя 17

и„ (К„ /R,). (и„ /и,о )

- Я f r Ug, 01 л ;: 4+U2. Rio

эг

не зависит от I „ и К

Для вычисления arcsin U,, используется неявная кубическая аппроксимация функции Sin X вида

X

1,00042 х-0,111382 х ,1+0,056646x2

имеющая теоретическую погрешность не более 0,009% от полной шкалы во

ir 7 йсем диапазоне отг- до .

Выходное напряжение U,g операционного усилителя 18 преобразуется умножителем 15 в напряжение U, . Напряжение U,,j на выходе сумматора 12 равно сумме

и,2 0,111382U,g +0,056646U 3 ,

В первом режиме цифровые отсчеты аналого-цифровогЪ преобразователя обрабатываются вычислительным блоком 24 по мере их поступления. Этот ре- 25 жим характеризуется низким быстродействием и используется при измерении постоянных и медленно изменяющихся напряжений. В этом случае вычис- лительньй блок 24 через шину 41 упгде U,j - напряжение на выходе сумматора 13.

Напряжение на выходе умножителя 1630 Равления запускает аналого-цифровые

преобразователи 31 и 32, а затем через коммутаторы 27 и 28 и-шину 40 данных считывает их цифровые отсче вы

и,й и,

и.

и„- U2

(6 и,г U(} -и,2- /,g Напряжение U,j равно разности

и,, 1,00042U,8 -Ui6 1,00042U,8 - -0,056646U,3- Ufg -0,111382Ufg ,

35

Далее вычислительный блок 24, считывая команды из блока 25 постоянной ,1амяти и, используя для хранения промежуточных результатов блок 26 оперативной памяти, вычисляет вначале отношение , а затем arcsin от полученной величины. Деление а 38 выполняется по известному методу со сдвигом остатка влево Коэффициент К-ц выбирается кратным степени двойки и учитывается путем

откуда

1,00042U,a-0,111382U3a 1+0,056646U4

. sinU

18

Т.е. U,3 является кубической аппроксимацией функции от и

16

Далее вычислительный блок 24, считывая команды из блока 25 постоянной ,1амяти и, используя для хранения промежуточных результатов блок 26 оперативной памяти, вычисляет вначале отношение , а затем arcsin от полученной величины. Деление а 38 выполняется по известному методу со сдвигом остатка влево. Коэффициент К-ц выбирается кратным степени двойки и учитывается путем

Операционный усилитель 18 работает 45 сдвига делимого Uj-j, на Sn у двоичв линейном режиме, поэтому токи через резисторы 19 и 22 равны, т.е. UjT и,

х„

R,

22

следовательно, с учетом

того, что sinU,8 , получают RIZ

arcsin

arcsin (

R(9

Е.2г R-21

и,

ных разрядов вправо, что позволяет в Км раз расширить динамический диапазон измеряемых Йапряжений. Вычисление функции arcsin выполняется по 50 итерационному методу цифра за цифрой по следующим формулам:

(-ХС О .

и.-и..)

R., Rza и -«-и.

Номиналы резисторов 19-21 выбираются так, что

xu, Y;

у Y. - i. х ., I, , 1

55

Z - 1 11

-к(П

-K(l)

, arctg2

22 11 (9 20

поэтому

и. -Uz

и,+и

25,

Функциональный преобразователь 9 на основе вычислительного блока (фиг. 3) работает следующим образом.

На выходах сумматоров 37 и 38 образуются напряжения

(U,-U2)I,.j sin2S

эг

и

где К

и,+и,,1п К

5

У

0

- переменньй коэффициент усиления сумматора, устанавливаемый оператором. Напряжения Uj и преобразуются аналого-цифровыми преобразователями 31 и 32 в цифровые коды. При этом возможны два режима работы.

В первом режиме цифровые отсчеты аналого-цифровогЪ преобразователя обрабатываются вычислительным блоком 24 по мере их поступления. Этот ре- 5 жим характеризуется низким быстродействием и используется при измерении постоянных и медленно изменяющихся напряжений. В этом случае вычис- лительньй блок 24 через шину 41 уп

Далее вычислительный блок 24, считывая команды из блока 25 постоянной ,1амяти и, используя для хранения промежуточных результатов блок 26 оперативной памяти, вычисляет вначале отношение , а затем arcsin от полученной величины. Деление а 38 выполняется по известному методу со сдвигом остатка влево. Коэффициент К-ц выбирается кратным степени двойки и учитывается путем

ных разрядов вправо, что позволяет в Км раз расширить динамический диапазон измеряемых Йапряжений. Вычисление функции arcsin выполняется по итерационному методу цифра за цифрой по следующим формулам:

(-ХС О .

xu, Y;

у Y. - i. х ., I, , 1

Z - 1 11

-к(П

-K(l)

, arctg2

sign Z- sign X;.

k(i)

i/2, если i четное (i-2)/2, если i нечетное

при начальных условиях х , .0, , q.,0.

Константы Хд ot; arctg 2 и 1

CT ,П

хранятся в блоке 25

,0 cos ы. постоянной памяти.

В результате вычислений получается величина tp arcsin Y, которая затем через блок 34 вывода и цифроана- логовый преобразователь преобразуется в аналоговое напряжение

,т и -U2

Убых arcsin

2S

9Г

Во втором режиме цифровые отсчеты аналого-цифровых преобразователей 31 и 32 через коммутаторы 27 и 28 заносятся с высокой скоростью в буферные запоминающие элементы 29 и 30 до их заполнения, после чего вычислитель- ньш блок 24 сравнительно медленно обрабатывает их. Этот режим характеризуется более высоким быстродействием и используется для измерений и регистрации быстропротекающих процессов.

например переходных процессов в сило-30 росимметричного кристаллографическо- вых цепях при высоковольтном электрическом разряде в жидкости. В этом режиме вычислительный блок 24 по запросу на прерывание отключает свои выходы от шины 39 и запускает счетчик 36 адреса, одновременно переводя коммутаторы 27 и 28 в режим подключения входов буферных запоминающих элементов 29 и 30 к выходам аналого-цифро вых преобразователей 31 и 32. Счетчик 36 адреса через шину 41 управления синхронизирует работу аналого-цифровых преобразователей 31 и 32 и устанавливает на ши-

не 39 адреса адрес, по которому зЗ- носятся в буферные запоминающие элементы 29 и 30 цифровые отсчеты аналого-цифровых преобразователей 31 и 32, увеличивая адрес в каждом такте на единицу.

40

1

го класса с оптически прозрачными электродами на торцах и призменный анализатор с двойным лучепреломлением, выходы которого оптически связа35 ны с входами первого и второго фотоприемников, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона и повышения точности измерения, дополнительно введены N электрогира- ционных монокристаллов центросиммет- .ричного кристаллографического класса с оптически прозрачными электродами на торцах, М стержней оптически прозрачного стекла и функциональньй пре45 образователь, причем монокристаллы и стержни оптически последовательно соединены между собой, контакты для подключения измеряемого напряжения соединены с двумя или несколькими электродами на торцах монокристаллов, а выходы фотоприемников соединены соответственно с первым и вторым входами функционального преобразователя, 2. Устройство по п.Т, о т л и 50

После заполнения буферных запоминающих элементов 29 и 30 счетчик 36 адреса останавливается и отключается от щины 39 адреса. Вычислитель- 55чающееся тем, что функционый блок 24 по шине 41 управления пе-нальньй преобразователь содержит череключает коммутаторы-27 и 28 в ре-тыре сумматора, три умножителя, два

жим коммутации входов буферных за-операционных усилителя и четыре репоминающих элементов 29 и 30 на шинузистора, причем первые и вторые вхо

5

0

40 данных и приступает к обработке содержимого буферных запоминающих элементов 29 и 30 так же как и в первом режиме. Блок 35 ввода используется для ввода значения коэффициента и выбора режима работы.

Функциональный преобразователь 9 на основе блока постоянной памяти

(фиг. 4) работает следующим образом. I

Аналого-цифровые преобразователи

42 -и 43 преобразуют напряжения U и U,j, в цифровые коды, которые определяют адреса блока 44 постоянной памяти, по которому хранится цифровой эквивалент, соответствующий зависимости arcsin (,, )/(и, tU).

Полученньй таким образом цифровой код поступает на вход цифроаналого- вого преобразователя 45 и преобразуется в напряжение и.

Формула изобретения

1. Электрогирационное устройство для бесконтактного измерения высоких напряжений, содержащее оптически связанные источник света, поляризатор, электрогирационный монокристалл центросимметричного кристаллографическо-

1

го класса с оптически прозрачными электродами на торцах и призменный анализатор с двойным лучепреломлением, выходы которого оптически связаны с входами первого и второго фотоприемников, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона и повышения точности измерения, дополнительно введены N электрогира- ционных монокристаллов центросиммет- .ричного кристаллографического класса с оптически прозрачными электродами на торцах, М стержней оптически прозрачного стекла и функциональньй преобразователь, причем монокристаллы и стержни оптически последовательно соединены между собой, контакты для подключения измеряемого напряжения соединены с двумя или несколькими электродами на торцах монокристаллов, а выходы фотоприемников соединены соответственно с первым и вторым входами функционального преобразователя, 2. Устройство по п.Т, о т л и

ды первого и второго сумматоров подключены параллельно к первому и второму входам функционального преобразователя, выход первого сумматора соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого соединен с первым выводом первого резистора и с выходом первого операционного усилителя, неинвертирующий вход которого соединен с шиной нулевого потенциала, а инвертирующий вход через второй резистор соединен с выходом второго сумматора и через третий резистор - с выходом первого умножителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя сое-динен с общей шиной, а инвертирующий вход - с вторым выводом первого резистора и с первьм выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с первьм входом третьего сумматора и с выходом четвертого сумматора, выход второго операционного усилителя соединен с вторым входом третьего

сумматора, с первым и входами

третьего умножителя, с первым входом четвертого сумматора и с выходом функционального преобразователя, второй вход четвертого сумматора соединен с выходом четвертого умножителя, 30 первый вход которого соединен с выходом третьего сумматора, а второй вход - с выходом третьего умножителя. 3. Устройство поп.1,отлича.ющееся тем, что функцио- 35 чающееся тем, что функциональньй преобразователь содержит вычислительный блок, блок постоянной памяти, блок оперативной памяти, два коммутатора, два буферных запоминающих элемента, два аналого-цифровых преобразователя, цифроаналоговый преобразователь, блок вывода, блок ввода, счетчик адреса, два сумматора и три шины - адреса, данных и упрадле- ния причем соответствующие входы вычислительного блока, блока постоянной памяти и блока.оперативной памяти соединены соответственно с шинами

10

5

30

866910

данных, адреса и управления, соответствующие входы блока ввода, блока вывода и коммутаторов соединенны соответственно с шинами данных и управления, соответствующие входы буферных запоминающих элементов соединены соответственно с шиной данных и с шиной управления, соответствующие входы счетчика адреса соединены с шиной адреса и с шиной управления, первые и вторые входы сумматоров подключены параллельно к первому и второму входам функционального преобразователя, выход первого сумматора соединен с входом первого аналого- цифрового преобразователя , выход которого соединен с соответствующим входом первого коммутатора, выход второго сумматора соединен с входом второго аналого-цифрового преобразователя, выход которого соединен с соответствующим входом второго коммутатора, входы синхронизации аналого-цифровых преобразователей соединены с шиной управления, выходы первого и второго коммутаторов соединены с соответствующими входами соответственно первого и второго буферных запоминающих элементов, а выход блока вывода соедккен с входом цифроана- логового преобразователя, выход которого является вьгходом устройства.

20

25

4. Устройство поп.1,отлинальньй преобразователь содержит два аналого-цифровых преобразователя, блок постоянной памяти и цифроана-. логовый преобразователь, причем входы

первого и второго аналого-цифровых преобразователей соединены соответственно с первым и вторым входами функционального преобразования, а выходы - с соответствующими адресными

Влодами блока постоянной памяти, выход которого соединен с входом цифро- дналогового преобразователя, выход которого является выходом устройства.

Фиг. 2

V2

Сойтавитель В, Степанкин Редактор М, Бланар Техред,НоГлущенко Корректор А, Зимокосов

Заказ 884/47 Тираж 731Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

ffS

(J

Вык.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в,высоковольтных установках. Цель изобретения - расширение диапазона и повышение точности измерений. Электрогирационное устройство содержит источник 1 света. Uo поляризатор 2, призменный анализатор 6 с двойным лучепреломлением и фотоприемники 7 и 8. В устройство введены N электрогирационных монокристаллов 3 и 4 центросимметричного кристаллографического класса с оптически прозрачными электродами на торцах, М стержней 5 из оптически прозрачного стекла и функциональный преобразователь 9. В описании приведены три примера выполнения функцио- нального преобразователя 9. Под действием измеряемого напряжения в электрогирационных монокристаллах 3 и 4 происходит поворот плоскости поляризации светового луча на определенный угол. Световой луч расщепляется при- зменным анализатором 6 на два, которые преобразуются фотоприемниками 7 и 8 в напряжение. Выходное напряжение функционального преобразователя 9 равно измеряемому напряжению с точностью до постоянной коэффициента преобразования, который рассчитывается теоретически. 3 з.п. ф-лы, 4 ил. s (Л с: кэ со GO 35 CD со SbK. Фиг,Т