Коаксиальный шунт с малым углом сдвига фаз Советский патент 1992 года по МПК G01R1/20 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к преобразователям тока в напряжение, и может быть использовано при измерениях тока, электрической мощности, энергии и угла сдвига фаз в цепях переменного тока.

Известны два типа шунтов, близких по конструкции, используемые для определения угла фазового сдвига и измерения переменного газа, где к резистивному модулю, состоящему из двух проводящих дисков, соединенных равномерно по периферии ме- таллопленочными резисторами, подвод для равномерного распределения тока осуществлен по окружности дисков через более низ- коомные непроволочные резисторы с изолированными скрученными бифилярно проводниками и сведенными в два пучка к центру к токовому разъему в одном типе и парными проводниками от двух токовых проводящих дисков, соединенных в их центре с коаксиальным токовым разъемом в другом. Съем разности потенциалов с ре- зистивного модуля осуществлен через коаксиальный потенциальный разъем, находящийся в центре наружного диска ре- зистивного модуля по другую сторону шунта относительно токового разъема, В обоих типах шунтов требуется выполнение следующих условий: расстояние между ближайшим проводящим диском резистивного модуля и диском, на котором по окружности проводники равномерно уложены и сведены в два пучка в центре к токовому разъему, в одном типе шунтов и двумя близлежащими токовыми проводящими дисками в другом типе, должно быть не меньше диаметра дисков резистивного модуля и соответственно равенства числа, пар подводящих бифилярно скрученных проводников и парных проводников из пластин числу резистивных элементов.

Недостатки известных шунтов проявляются в значительной постоянной времени, связанной с наличием остаточной электромагнитной связи элементов резистивного модуля между собой, в том числе его токовых звеньев с проводником, проходящим через весь резйстивный модуль от внутреннего диска к внутреннему выводу потенциального разъема, в больших габаритах, а также в невозможности увеличения числа резисторов по отношению к числу пар подводящих проводников, что необходимо для повышения запаса рассеиваемой мощности

(Л

с

х| О xj

Ј

СП

используемых резисторов без увеличения размеров шунтов.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является коаксиальный шунт с малым углом сдвига фаз, в котором для расширения частотного диапазона резистивный модуль образован двумя парами проводящих дисков, попериферии соединённых резистивными элементами и парными гроводниками с парой токовых ди- сков так, что по всем смежным элементам резистивного модуля протекают противоположные токи, для уменьшения емкостной связи пар проводящих дисков резистивного модуля они выполнены одинаковой формы, части которой сдвину ты относительно друг друга на потенциальных и средних парах проводящих дисков и представлены внутренней в виде кольца и периферийной в виде секторов частями, которые соединены симметрично расположенными узкими радиальными дорожками, съем потенциалов осуществлен от внутренних частей поверхности, причем внутренний вывод от средней пары через проводники в коаксиальном ис- полнении, количество резистивных элементов равно или больше в целое число раз числа парных проводников, разделяющих резистивные элементы на экранированные друг от друга ячейки, расстояние от средней пары до токовой проводящих дисков выбрано не менее толщины электрического пробоя.

Недостатками описанного шунта является значительная фазовая погрешность при высоких частотах, связанная с электромагнитным взаимодействием большого числа проводящих дисков, с нарушением симметрии формы их при неравенстве числа ячеек в секторах периферийной по- верхности проводящих дисков, а также габаритами.

Цель изобретения состоит в повышении точности преобразования переменного тока в напряжение за счет уменьшения пло- щади петель цепей для прохождения тока через резистивные элементы, для снятия потенциалов с них, а следовательно, и суммарной индуктивности шунта, что снижает его постоянную времени и связанную с ней фазовую погрешность преобразования.

Цель достигается тем, что в коаксиальном шунте с малым углом фаз, содержащем резистивный модуль с резистивными элементами и двумя парами проводящих дис- ков одинаковой формы, состоящими из внутренней в виде кольца и периферийной в виде секторов частями, которые соединены симметрично расположенными узкими дорожками, парные проводники, соединяющие с секторами пару токовых сплошных проводящих дисков, минимально удаленную от средней пары резистивного модуля, ячейки, содержащие одинаковое количество резистивных элементов, число которых равно или больше в целое число раз числа парных проводников, коаксиальные токовый и потенциальный разъемы, причем внутренний вывод потенциального разъема в резистивном модуле выполнен коаксиальным, произведено соединение пары потенциальных с парой токовых проводящих дисков парными проводниками и с четным числом в ячейках резистивными элементами так, что по всем парным элементам шунта протекают противоположные токи, определены одинаковое число ячеек в секторах, симметричность форм проводящих дисков в парах и расстояние между потенциальной и токовой парами проводящих дисков шунта размерами используемых резистивных элементов.

На фиг. 1 представлен шунт в сборе; на фиг. 2 - схема-развертка шунта с указанием направления тока по его элементам; фиг. 3 - экспериментально полученные зависимости квадрата полного сопротивления моделей сравниваемых шунтов от квадрата частоты синусоидального тока.

Коаксиальный шунт (фиг. 1 и 2) образован двумя параллельными парами потенциальных 1, 2 и токовых 3, 4 проводящих дисков (ПД) одинаковой формы, причем токовые - сплошную, а потенциальные с внутренней, в виде кольца, и периферийной, в виде секторов частями, которые соединены симметрично расположенными узкими радиальными дорожками. Все части ПД сдвинуты для получения наименьшей емкостной связи между ними. Между этими парами ПД 1, 2 и 3, 4 перпендикулярно им по периферии установлены резистивные элементы (РЭ) 5, четное число которых разделено на ячейки токонесущими парными проводниками (ПП) 6 в виде пластин, вставленных в прорези ПД. Пары ПД как и ПП изготовлены из двухстороннего фольгированного диэлектрика. По разные стороны в центре ПД закреплены соответственно потенциальный 8 и токовый 7 коаксиальные разъемы. РЭ 5 поочередно соединяют ПД 1 и 3, 2 и 4, а ПП 1 и 4,2 и 3 ПД так, что по всем смежным РЭ по всем парным элементам шунта протекают противоположные токи. Ширина ПП определена необходимостью экранирования ячеек с РЭ друг от друга. Число ячеек кратно числу секторов для получения симметрии формы ПД 1,2. Каждый сектор периферийной поверхности ПД 1,2 перекрывает одну или несколько ячеек с РЭ. Коаксиальный потенциальный разъем 8 соединен своим внешним ь зодом с ПД 1, а внутренним с ПД 2. Коаксиальный токовый разъем 7 своим внутренним выводом соединен с ПД 3, а внешним с ПД А. Расстояние между ПД 1,2 и ПД 3,4 определено размерами исполь- .зуемых РЭ.

Шунт работает следующим образом.

Шунт включается в цепь измеряемого тока посредством разъема 7, размещенного в центре ПД 3, 4. От выводов разъема 7 ток равномерно распределяется и в один полупериод на внутреннем ПД 3 растекается от центра к ПП, на внешнем ПД 4 стекается от них к центру, а в другой наоборот, так что всегда по подводящим токовым цепям и смежным резисторам ячейки проходят встречные токи, чем вызывают компенсацию влияния электромагнитных полей в областях ячеек РЭ и всего шунта в целом. Съем потенциалов с одной половины РЭ происходит по узким дорожкам ПД 1,2, которые для уменьшения емкостной связи максимально смещены относительно друг друга, с другой половины РЭ - через ПП.

Для сравнения метрологических характеристик были изготовлены модели шунтов с одинаковым диаметром дисков, четным числом РЭ в ячейке, равным четырем, числом ПД, равным восьми, с одинаковым расстоянием между дисками резистивного модуля в прототипе, с числом ячеек, равным 15 у прототипа и первого из предлагаемых шунтов, чем вызвана несимметричность формы ПД и с числом ячеек РЭ, равным 16, у второй .модели предлагаемых шунтов. В моделях шунтов вместо РЭ установлены медные прямолинейные проводники диаметром 2 мм.

По результатам экспериментального определения полного сопротивления Z моделей шунтов от частоты f синусоидального тока и равенству, определяемому при малых значениях сопротивления R постоянному току меньше 1 Ом по формуле

Z2 R2 + а М2,(1)

где со- угловая частота переменного тока;

М - эквивалентная взаимная индуктивность,

построены графики полного сопротивления шунтов (9 - для прототипа; 10, 11 - для предлагаемых с несимметричной и симметричной формой ПД шунтов) от квадрата частоты переменного тока (фиг. 3). Из наклона прямых и равенства (1) по формуле

..

,rAetg 7,

определены и приведены в таблице значения эквивалентных взаимных индуктивно- стей модулей шунтов.

Из таблицы видно, что эквивалентная

взаимная индуктивность М уменьшается с уменьшением количества дисков, длины подводящих пар проводников и оказывается наименьшей для предлагаемого шунта с симметричной формой ПД, а для обоих

предлагаемых в 1,5 раза мейьше прототипа. Таким образом, постоянная времени т предлагаемого шунта в 1,5-2 раза меньше, чем у прототипа, меньше угол фазового сдвига t между входной и выходной величинами (фазовая погрешность), связанных с взаимной индуктивностью формулами

г -к-; р-т-со.

Следовательно, предлагаемым типом

шунта достигнуто увеличение точности преобразования переменного тока в напряжение.

Экономический эффект от использования изобретения может быть подсчитан как

прямым, так и косвенным путем после внедрения его в народное хозяйство.

Общественно полезные преимущества предлагаемого шунта связаны с существенным уменьшением длины токовой цепи, цепи съема потенциалов с резистивных элементов, уменьшением числа элементов шунта, его габаритов, т.е. затрат материалов, дифицитных и дорогих металлов, труда на изготовление шунта, удобством, что

позволяет использовать шунты в качестве образцовых средств измерения при проведении государственных приемочных и контрольных испытаний измерительной техники в высокоточных преобразователях.

Формула изобретения Коаксиальный шунт с малым углом сдвига фаз, содержащий резистивный модуль с резистивными элементами и двумя парами

проводящих дисков одинаковой формы, состоящими из внутренней, в виде кольца, и периферийной, в виде секторов, частями, которые соединены симметрично расположенными узкими дорожками, парные проводники, соединяющие с секторами для токовых проводящих диска, ячейки, содержащие одинаковое количество резистивных элементов, число которых равно или больше в целое число раз числа парных

проводников, коаксиальные токовый и потенциальный разъемы, внутренний вывод потенциального разъема выполнен коаксиальным, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности преобразования переменного тока в напряжение, шунт

образован двумя парами проводящих дисков, расстояние между которыми определено размерами резистивных элементов, поочередно соединяющих первый и третий,

ми и представляют собой первая - потенциальные, а вторая - токовые проводящие диски, выводы потенциального разъема соединены с внутренними поверхностями

Использование: высокочастотное измерение тока, электрической мощности, энергии и угла сдвига фаз в цепях переменного тока. Сущность изобретения: шунт представляет собой пару сдвоенных изолированных проводящих дисков, имеющих снаружи в центре коаксиальные разъемы, а между ними по периферии и перпендикулярно им резистивные элементы и парные проводники. 3 ил.

второй и четвертый проводящие диски пар-5 проводящих дисков потенциальной пары,

ные проводники, соединяющие первый икаждая ячейка содержит четное число резичетвертый, второй и третий проводящие ди-стивных элементов, число ячеек кратно чисски, причем пары выполнены симметричны-лу секторов.

Таблица значений эквивалентной взимной индуктивности для сравниваемых

модулей шунтов

4

г. /

7

л 4 s i - -- -

f дг Y

rr, .„, j. i ,

r/ Ti nr ™ е- - -..„,„. Л-,,.,,

I

; . - , i i. . j

/ | 1 I «-41-4 - - J- -«-.

2/j/ l -NS.

/ Р

- i ls.

7

-

200

22 fO 120rt2

100

14 9 16 25 36 49 6b

фиг.з

81

fffff