Способ бесконтактного измерения электрического тока Советский патент 1992 года по МПК G01R19/00 

(Л

С

Изобретение относится к измерительной технике. Устройство содержит обмотки 1, 2, магнитопровод 3, датчик 4.магнитного потока, усилитель 5, шунт 6, сумматор 7 сигналов. 3 ил.

Фиъ.1

VI

ГО

ел со

00

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при построении устройств для измерения постоянного, переменного и импульсного токов, в частности датчиков тока в системах быстродействующей релейной защиты электроэнергетических объектов низкого напряжения до 1000 В.

Цель изобретения - повышение быстродействия, расширение частотного диапазона и повышение точности за счет уменьшения фазовой погрешности, а также уменьшение высокочастотных составляющих выходного сигнала.

Способ предусматривает преобразование измеряемого электрического тока в магнитный поток, создание компенсирующего магнитного потока и вычитание его из магнитного потока измеряемого тока, форми- рование сигнала, пропорционального полученной разности, и сигнала, пропорционального величине компенсирующего магнитного потока, изменение либо амплитуды высокочастотной составляющей сигнала, пропорционального компенсирующему магнитному потоку/либо амплитуды сигнала, пропорционального разности магнитных потоков, до достижения равенства упомянутых амплитуд. За выходной сигнал принимают сумму сигнала, пропорционального разности магнитных потоков, и сигнала, пропорционального компенсирующему потоку, полученных после изменения амплитуды соответствующего сигнала.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ измерения; на фиг.2 - поясняющие работу устройства диаграммы изменения во времени магнитодвижущих сил, создаваемых измеряемым током (I.Wi), компенсирующим током (), результирующего магнитного потока в магнитопроводе ( Ф Д )

и напряжения (11Вых) на выходе устройства; на фиг.З - вариант схемной реализации усилителя с выходным каскадом, работающим в ключевом режиме.

Устройство, реализующее способ бесконтактного измерения электрического тока, содержит первичную (Wi)1 и вторичную (Л/к)2 обмотки, нанесенные на магнитопро- вод 3 с зазором, датчик 4 магнитного потока, усилитель 5 с выходным каскадом, работающим в ключевом режиме, шунт 6 и сумматор 7 сигналов. Датчик 4 магнитного потока, например датчик Холла, установлен в зазоре магнитопровода 3 и подключен к входу усилителя 5 с выходным каскадом, работающим в ключевом режиме и нагруженным на вторичную (компенсационную)

обмотку Л/к2. Последовательно с ней включен шунт 6. Входы блока 7 суммирования сигналов, выполненного, например, на базе операционного усилителя, подключены к

шунту 6 и к одному из выводов датчика 4 магнитного потока, причем выход сумматора 7 сигналов подключен к выходу устройства.

Усилитель 5 содержит (фиг.З) дифференциальный усилительный элемент 8, пороговый элемент 9 и аналоговые ключи 10 и 11. Инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилительного элемента 8 подключены соответственно к первому

и второму входам усилителя 5. К выходу дифференциального усилительного элемента 8 подключен вход порогового элемента 9, к прямому и инверсному выходам которого присоединены соответственно входы управления первого 10 и второго 11 аналоговых ключей. Первые выходы аналоговых ключей 10 и 11 подключены соответственно к шинам 12 и 13 положительного и отрицательного напряжений, вторые выводы - к

выходу усилителя 5.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемый ток И- протекающий по первичной обмотке Wi, создает в магнитопроводе 3 магнитный поток Ф (I), который вызывает появление сигнала на выходе датчика 4 магнитного потока. Этот сигнал после усиления в усилителе 5 создает во вторичной (компенсационной) обмотке и ток к

такого направления, что создаваемый им в магнитопроводе 3 магнитный поток Ф («) оказывается направленным встречно магнитному потоку Ф (I). Благодаря этому датчик 4 магнитного потока непрерывно

измеряет результирующий магнитный поток Фд . Ф (I)- Ф (к).

Выходной каскад (аналоговые ключи 10 и 11) усилителя 5 работает в режиме переключения и создает на компенсационной

обмотке 2 напряжение прямоугольной формы. Из-за влияния индуктивности обмотки 2 ток в ней, а следовательно, и магнитный поток Ф (к) изменяются плавно около значения магнитного потока первичной обмотки 1 и имеют практически пилообразную форму. Результирующий магнитный поток Фд определяется разностью намагничивающих сил первичной 1 и вторичной 2 обмоток. Из-за влияния немагнитного зазора, в котором расположен датчик 4 магнитного потока, указанная зависимость практически линейна в широком диапазоне изменения значениймагнитногопотока

-экв

(liWi-lKWK), (1)

где //экв - эквивалентная магнитная проницаемость магнитной системы: сердечник 3 с зазором;

Icp - длина средней магнитной силовой линии магнитопровода.

Сигнал Ех, снимаемый с датчика 4 магнитного потока, равен

Ех Кх. Фд ,(2)

где Кх - коэффициент пропорциональности - постоянная Холла, В/Т.

При протекании тока через резистор 6 на нем создается падение напряжения UR, равное

UR IK.R,(3)

где R - сопротивление резистора 6.

Подставляя (1) и (3) в (2), получают

Кх

ср

01W1-

WK ). (4)

ср

R

Выходное напряжение устройства ивых, формируемое сумматором 7, равно Увых UR + К-.Ех,

где К - коэффициент масштабирования сигнала датчика 4 магнитного потока.

После подстановки выражения (4), получают

UB«X-UR+ (HWi- - .WK).

При выборе

I/R

Кх экв-Wk получают после упрощения

иВых 1гР-щ--

В зависимости от того, какой из выходов (инвертирующий или неинвертирую- 40 щий) усилителя 5 используется, сумматор 7 может быть выполнен соответственно по

0

5

0

5

0

5

0

схеме вычитания или по схеме суммирования.

Таким образом, выходное напряжение устройства, реализующего предлагаемый способ, в любой момент времени пропорционально измеренному току и не содержит высокочастотных пульсаций. В результате этого снимаются ограничения, определяемые частотой коммутации напряжения на компенсационной обмотке 2, и, как следствие, повышается быстродействие и точность измерения за счет уменьшения фазовых погрешностей, а также расширяется частотный диапазон измеряемых ТОКОР. Формула изобретения Способ бесконтактного измерения электрического тока, заключающийся в том, что преобразуют измеряемый электрический ток в магнитный поток, создают компенсирующий магнитный поток и вычитают его из магнитного потока измеряемого тока, формируют сигнал, пропорциональный полученной разности, и сигнал, пропорциональный компенсирующему магнитному потоку, а также выходной сигнал, пропорциональный силе измеряемого электрического тока, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, расширения частотного диапазона и повышения точности, изменяют либо амплитуду высокочастотной составляющей сигнала, пропорционального компенсирующему магнитному потоку, либо амплитуду сигнала, пропорционального разности магнитных потоков, до достижения равенства упомянутых амплитуд, а за выходной сигнал принимают сумму сигнала, пропорционального разности магнитных потоков, и сигнала, пропорционального компенсирующему магнитному потоку, полученных после изменения амплитуды соответствующего сигнала.

Риг, 2