Датчик тока Советский патент 1992 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения постоянных, импульсных и переменных токов в цепях радио- и электроустановок, а также в устройствах релейной защиты электроэнергетических объектов низкого напряжения до 1000 В.

Целью изобретения является расширение динамического диапазона измерения.

На фиг.1 приведена функциональная схема датчика тока; на фиг.2 - передаточные характеристики пороговых элементов; на фиг.З - структурная схема датчика тока; на фиг.4 - временные диаграммы работы устройства.

Датчик тока содержит кольцевой магни- топровод 1 с зазором, обмотку 2 обратной связи, гальваномагнитный элемент 3, размещенный в зазоре магнитопровода 1, измерительный резистор 4, усилитель 5 напряжения и усилитель 6 мощности, включенные последовательно, клеммы 7 и 8 для подключения к источникам напряжения, клемму 9 Выход, выводы гальваномагнитного элемента 3 соединены с входом усилителя 5 напряжения, первый вывод обмотки 2 обратной связи соединен с выходом усилителя 6 мощности, второй ее вывод - с первым выводом измерительного резистора 4 и клеммой 9 Выход, второй вывод измерительного резистора 4 соединен с общей шиной, пороговый элемент 10 верхнего уровня, пороговый элемент 11 нижнего уровня, первый 12 и второй 13 аналоговые ключи, токоограничительный резистор 14, вход порогового элемента 10 верхнего уров-. ня соединен с первым входом порогового элемента 11 нижнего уровня и клеммой 9 Выход, выход порогового элемента 10 верхнего уровня соединен с управляющим входом первого аналогового ключа 12, выход порогового элемента 11 нижнего уровня соединен с управляющим входом второго аналогового ключа 13, вход первого аналогового ключа 12 соединен с клеммой 7 для подключения источника положительного напряжения, вход второго аналогового ключа 13 - с клеммой 8 для подключения источника отрицательного напряжения, выход первого аналогового ключа 12 соединен с выходом второго аналогового ключа 13 и с первым выводом токоограничительного резистора 14, второй вывод которого . соединен с выходом усилителя 6 мощности.

Устройство работает следующим образом.

После подачи питающих напряжений и при отсутствии входного измеряемого тока выходное напряжение датчика тока Ug близко к нулю и определяется (фиг.З) коэффициентом усиления последовательно включенных усилителя 5 напряжения и усилителя 6 мощности, напряжением смещения нуля

усилителя 5 напряжения и выходным напряжением гальваномагнитного элемента 3, например преобразователя Холла, которое определяется уровнем Вост. магнитной индукции в зазоре магнитопровода 1, вызванной остаточной намагниченностью последнего, а также собственным остаточным напряжением И ост., вызванным различ- ными факторами (температурой окружающей среды, технологическими погрешностями и т.д.). Выходное напряжение датчика тока Ug при отсутствии входного тока 1Вх определяется по формуле

U9 (B0cT.W8(p) + UOCT + UCMO). X W3(P) ЩР);У(Р)ЩР)ЩР)

ХЩР) + (P)(P)(P)(P)

где Ws(P) - отношение изображений индукции, возникающей в зазоре магнитопровода при протекании тока в обмотке обратной связи, к току (ток в обмотке 2 обратной связи создает магнитный поток, направленный встречно магнитному потоку, создаваемому измеряемым током 1Вх);

WA(P) - отношение изображений тока, протекающего в обмотке 2 обратной связи,

и выходного напряжения усилителя мощности;

Ws(P) - передаточная функция измерительного резистора, отношение изображений выходного напряжения датчика тока и

тока, протекающего через измерительный резистор 4;

Л/е(Р)- передаточная функция преобразователя Холла, отношение изображения выходного напряжения преобразователя

Холла и индукции в зазоре магнитопровода 1;

W(P)- передаточная функция усилителя 6 мощности, отношение изображения выходного тока усилителя 6 мощности к его

входному напряжению;

Ws(P)- передаточная функция усилителя 5 напряжения, отношение изображений выходного напряжения усилителя 5 и его входного напряжения.

В момент времени п (фиг.4а) поступает входной сигнал, и во входной обмотке 15 (которая также может состоять из одного витка) протекает измеряемый ток Вх. В маг- нитопроводе 1 создается магнитный поток

и в зазоре увеличивается индукция. Это ведет к повышению выходного сигнала гальваномагнитного элемента 3, который усиливается усилителями 5 и 6 и поступает на обмотку 2 обратной связи. В последней

протекает ток, создающий магнитный поток, направленный встречно магнитному потоку, вызванному измеряемым током.

Ток 2 протекающий в обмотке обратной связи, определяется по формуле

12

lex Wi(P) + (p) W (p) (P)W(P) (Р)(P)(P)W;(p)Afe(P) +

4. С + UCMO ) W« (P) Wy(P) W(P)

1 + (P) Wi(P) -VVfe(P) W(P) (P)

где Wi(P) - отношение изображений по Лапласу тока обмотки 2 обратной связи, возникающего при изменении входного тока вх, к изображению входного тока;

W2(P) - отношение изображений индукции в магнитопроводе 1 и входного тока Вх.

Благодаря значительному коэффициенту усиления (Ку -1) выходных сигналов гальваномагнитного датчика 3 усилителями 5 и б, уровень тока в обмотке 2 обратной связи поддерживается таким, что результирующий магнитный поток в магнитопроводе 1 близок к нулю, и его уровень определяется практически остаточным потоком и потоком, вызванным статической ошибкой контура регулирования. Таким образом, уровень тока в обмотке 2 обратной связи пропорционален входному току Вх датчика. В свою очередь, выходное напряжение Ug датчика тока (фиг.4 г), равное падению напряжения на измерительном резисторе 4, пропорционально току UBx датчика тока и определяется по формуле Ug l2.W5(P).

В момент времени 2 выходное напряжение Ug датчика тока (фиг.4 г) достигает порога срабатывания Uio6 порогового элемента 10 верхнего уровня. Выходное напряжение Uio порогового элемента 10 скачкообразно уменьшается, что вызывает замыкание первого аналогового ключа 12,

После срабатывания аналогового ключа 12 напряжение на первом выводетокоогра- ничительного резистора 14 скачкообразно увеличивается, и через него протекает ток, определяемый по формуле

. En-Ue

|R14 En - напряжение питающей шины;

UB - выходное напряжение усилителя 6 мощности;

R14 - сопротивление токоограничитель- ного резистора 14.

С момента подключения резистора 14 к шине питания через обмотку 2 обратной связи начинает протекать ток, равный сумме выходного тока усилителя 6 мощности и тока, протекающего через токоограничительный резистор 14. Суммарный ток г определяется по формуле

..(wifp)+i/w;

. . . №)(P + l8M + (Uoc,)Wl(P)W(P)WP)

)№цр)1Ацр) w

Благодаря наличию глубокой отрицательной обратной связи в контуре регулирования при срабатывании аналогового ключа

12 скачкообразно уменьшается выходное напряжение Us усилителя 5 напряжения (фиг.4в, момент времени t2). При работе усилителя 6 мощности в классе В выходное напряжение усилителя 5 напряжения, в моменты перехода усиливаемого сигнала через ноль, резко возрастает в пределах зоны нечувствительности Аи усилителя 6 мощности (фиг.4в). При уменьшении выходного напряжения Ug датчика тока ниже порога

отпускания Uio происходит возврат порогового элемента 10 верхнего уровня в начальное состояние, его выходное .напряжение скачкообразно увеличивается (фиг.4д, момент времени ta), аналоговый ключ 12 размыкается, выходное напряжение Us усилителя 5 напряжения скачкообразно увеличивается. В момент времени т.4 выходное напряжение превышает порог срабатывания порогового элемента 11 нижнего уровня

(фиг.4г). Выходное напряжение Un порогового элемента 11 нижнего уровня скачкообразно уменьшается (фиг.4е) и в момент времени ц замыкается аналоговый ключ 13. Черезтокоограничительный резистор 14 начинает протекать ток IR и, благодаря глубо- кой отрицательной обратной связи, выходное напряжение Ug усилителя 5 напряжения скачкообразно уменьшается. При выборе тока компенсации, протекающего

через, токоограничительный резистор 14 в момент срабатывания аналогового ключа 13, равны выходному току усилителя 6 мощности, соответствующему предельному значению, выходное напряжение усилителя 5

напряжения скачкообразно уменьшается до уровня, равного половине зоны нечувствительности усилителя 6 мощности. В течение интервала времени t4 - ts датчик тока функционирует на втором поддиапазоне, а в момент времени ts входной ток уменьшается настолько, что выходное напряжение датчика тока становится ниже напряжения отпускания порогового элемента 11 нижнего уровня. Последний возвращается в исходное состояние, его выходное напряжение скачкообразно увеличивается (фиг.4е, момент времени ts). Таким образом, благодаря наличию двух поддиапазонов измерения расширяется динамический диапазон выходных сигналов (по току), поступающих в

цепь обратной связи в виде обмотки 2 обратной связи.

Формула изобретения Датчик тока, содержащий кольцевой магнитопровод с зазором, обмотку обратной связи, гальваномагнитный элемент, размещенный в зазоре магнитопровода, измерительный резистор, усилитель напряжения и усилитель мощности, включенные последовательно, клеммы для подключения к источникам напряжения и клемму Выход, выходы гальваномагнитного элемента соединены с входами усилителя напряжения, первый вывод обмотки обратной связи соединен с выходом усилителя мощности, второй вывод обмотки обратной связи соединен с первым выводом измерительного резистора и клеммой Выход, второй вывод измерительного резистора соединен с общий шиной, отличающийся тем, что, с целью расширения динамического диапазона измерения, в него введены пороговые

элементы верхнего и нижнего уровней, пер вый и второй аналоговые ключи, токоогра- ничительный резистор, причем вход порогового элемента верхнего уровня соединен с первым входом порогового элемента нижнего уровня и клеммой выход , выход порогового элемента верхнего уровня соединен с управляющим входом первого аналогового ключа, выход порогового

элемента нижнего уровня соединен с управляющим входом второго аналогового ключа, вход первого аналогового ключа соединен с клеммой для подключения источника положительного напряжения, вход второго аналогового ключа соединен с клеммой для подключения источника отрицательного напряжения, выход лервого аналогового ключа соединен с выходом второго аналогового ключа и с первым выводом токоограничительного резистора, второй вывод токоогра- ничительного резистора соединен с выходом усилителя мощности.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения постоянных, импульсных и переменных токов в цепях радио- и электроустановок, а также в устройствах релейной защиты электроэнергетических объектов низкого напряжения. Датчик тока содержит кольцевой магнито- провод 1с зазором, обмотку 2 обратной связи, гальваномагнитный элемент 3, размещенный в зазоре магнитопровода 1, измерительный резистор 4, усилитель 5 напряжения и усилитель 6 мощности, включенные последовательно, клеммы 7 и 8 для подключения к источникам напряжения, клемму 9 Выход. Выводы гальваномагнитного элемента 3 соединены с входом усилителя 5 напряжения, первый вывод обмотки 2 обратной связи соединен с выходом усилителя 6 мощности, второй ее вывод - с первым выводом измерительного резистора 4 и клеммой 9 Выход, второй вывод измерительного резистора 4 соединен с общей шиной. Кроме того, датчик тока содержит пороговый элемент 10 верхнего уровня, пороговый элемент 11 нижнего уровня, первый 12 и второй 13 аналоговые ключи и токоограничительный резистор 14. Вход порогового элемента 10 верхнего уровня соединен с первым входом порогового элемента 11 нижнего уровня и клеммой 9 Выход, выход порогового элемента 10 верхнего уровня соединен с управляющим входом первого аналогового ключа 12, выход порогового элемента 11 нижнего уровня соединен с управляющим входом второго ана- логового ключа 13. Вход первого аналогового ключа 12 соединен с клеммой 7 для подключения источника положительного напряжения, вход второго аналогового ключа 13 - с клеммой 8 для подключения источника отрицательного напряжения. Выход первого аналогового ключа 12 соединен с выходом второго аналогового ключа 13 и с первым выводом токоограничительного резистора 14, второй вывод которого соединен с выходом усилителя 6 мощности. 4 ил. W Ё VI ю ел CJ ю

Чш

Ч i

а

Щ -Uj фиг. Z

Ц V

о

№fcj