Датчик силового постоянного тока Советский патент 1992 года по МПК G01R19/00 

Изобретение относится к электроизме рительному оборудованию, в частности к датчикам силового постоянного тока.

Известно устройство для измерения силового постоянного тока, содержащее ферромагнитный сердечник с воздушным зазором, в котором размещен элемент Холла, операционные усилители, калиброванный резистор, стабилизирующие элементы. Устройство работает по принципу прямого преобразования измеряемой величины в выходной сигнал. Это является существенным недостатком устройства, так как при прямом преобразовании погрешности всех составных элементов устройства входят в общую погрешность устройства, в результате чего необходимо использовать высокоточные и высокостабильные элементы и обеспечивать их защиту от влияния внешних факторов. Указанное обстоятельство приводит к повышению сложности и стоимости устройства, в противном случае устройство имеет низкую точность.

Прототипом предлагаемого датчика тока является устройство, содержащее ферромагнитный сердечник с размещенным в его окне силовым проводом, по которому протекает измеряемый ток, элемент Холла в воздушном зазоре сердечника, выход которого соединен через операционный усилитель, источника тока, и калиброванный резистор с обмоткой обратной связи, размещенной

4 00 СА)

ю

на ферромагнитном сердечнике. Устройство работает по принципу уравновешивающего (компенсационного) преобразования измеряемой величины в выходной сигнал. Это обеспечивает высокую точность устройства, так как его погрешность обусловлена только погрешностью цепи обратной связи, в которую включают образцовые элементы

Недостатками устройства я вляются большие масса, габариты стбимб Йть при изготовлении его для измерения больших токов, высокий ра сход меди на обмотку обратной связи, невозможность изменения верхнего предела измерения, т.е. отсутствие унификации.

Целью изобретения является снижение массогабаритных показателей и унификация.

Указанная цель достигается тем, что в датчике силового постоянного тока, содержащем ферромагнитный сердечник, снабженный обмоткой обратной связи, элемент Холла, выход которого подключен к входу усилителя, управляемый источник тока, вход которого соединен с усилителем, а выход подключен к обмотке обратной связи через калибровочный резистор с выводами, предназначенными для подключения измерительного прибора, ферромагнитный сердечник выполнен трехстержневым с воздушными зазорами в каждом стержне, причем обмотка обратной связи нанесена нагп ервый из боковых стержней, в воздушном зазоре которого установлен элемент Холла, а окно сердечника, прилегающее к второму боковому стержню, предназначено для пропускания провода с измеряемым током, при этом в воздушном зазоре второго бокового стержня размещена ферромагнитная калибровочная прокладка.

На чертеже показана схема устройства.

Устройство содержит ферромагнитный трехстержневой сердечник 1 с двумя окнами и воздушными зазорами б-|, 62 и 63 в стержнях. Через окно сердечника, прилежащее к боковому стержню с воздушным зазором 6i, пропущен силовой провод 2, ток в котором требуется измерять. В воздушном зазоре 6i размещена калибровочная ферромагнитная прокладка 3. На другом боковом стержне сердечника 1 размещена обмотка 4 обратной связи, а в воздушном зазоре бз этого стержня размещен элемент Холла 5 (цепь питания элемента Холла на чертеже не показана). Выход элемента Холла подключен к входу операционного усилителя 6 (цепи питания усилителя на чертеже не показаны, т.к. они являются стандартными).

Выход операционного усилителя 6 соединен с входом источника 7 тока, который выполнен по схеме эмиттерного повторителя. К выходу источника 7 тока через калибро- вочный резистор 8 подключена обмотка 4 обратной связи.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемый ток х силового провода 2

создает в боковом стержне с воздушным зазором 6i магнитный поток ФХ1, который разветвляется в среднем и другом боковом стержнях сердечника на составляющие ФХ2 и ФхЗ. От потока Фхз в элементе Холла 5

генерируется ЭДС, которая усиливается операционным усилителем 6. Выходное напряжение усилителя б управляет источником 7 тока, который вырабатывает ток 10с обратной связи. Этот ток через резистор 8

поступает в обмотку 4 обратной связи. Под действием тока 10с, протекающего по обмотке А, наводится магнитный поток Ф0с обратной связи.Обмотка 4 включена таким образом, что магнитный поток Фос направлен встречно магнитному потоку ф хз. В результате этого поток Ф0с начинает компенсировать действие потока Ф хз на элемент Холла 5, и выходная ЭДС элемента Холла 5 начинает уменьшаться, что приводит к снижению выходного напряжения усилителя 6, а(затем и тока 10с обратной связи на выходе источника 7. Такое уменьшение идет до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие между магнитным потоком

ф х3| который создается измеряемым током 1х, и током 1ос обратной связи на выходе источника 7. Это состояние, согласно теории систем уравновешивающего (компенсационного)преобразования,

описывается следукж1ей зависимостью:

ФхЗ

К,

пр

1 + К

пр

Ч)С

(1)

где Кпр Кэх К0у Кит - коэффициент передачи цепи прямого преобразования, в которую входят элемент Холла 5, операционный усилитель 6, источник тока 7 (Кэх, 0 к0у, Кит - коэффициенты передачи указанных элементов);

Кос Кос -

W,

ос

- коэффициент передачи цепи обратной связи, в которую входят обмотка 4 обратной связи с числом витков Woe и сопротивление Re.ос воздушных зазоров сердечника 1 магнитному потоку Ф0с обратной связи;

рд -о. Rd Rtfe „RfrRfo + Rji Rfc+Ru R& Rdoc-Ra3 + R Jl+ft(fcftd,+Rfc

R 51. R 62 - R (5з сопротивление воздушных зазоров б 1, (5 2,5 з

Ф «зl«Wi

R& 1

P. x «& R&T R 52+ R b ff R A- 4- ft A

bWiRfe (5z-t-RdiR 53-l-R(

Wi 1 - число витков силового провода

2., . „

Коэффициент передачи КПр цепи прямо- го преобразования выбирают из условия Клр Кос 1. Тогда формулу (1) можно упростить:

хз

Ix

Ф

Кос Woc(R(5i +R&

IX WOC

Ioc Wi v R&

Кдт-Ј (1+Погрешность от такого допущения не превышает 1%, что для практики вполне допу- стимо.

На основании преобразованной зависимости определяется коэффициент передачи датчика тока в целом

R.

Согласно найденному соотношению, коэффициент передачи датчика тока нахо- дится в линейной зависимости от сопротивления воздушного зазора первого бокового стержня сердечника 1, которое в свою очередь линейно зависит от величины 6i этого зазора

Rdi

ftoS

где л о - магнитная проницаемость воздуха;

S - сечение воздушного зазора.

Найденная зависимость для коэффициента передачи Кдт датчика тока показывает, что, изменяя величину 6i воздушного зазора с помощью калибровочной ферромагнит- ной прокладки 3, можно изменять коэффициент передачи датчика тока. Следовательно, имея набор калибровочных пластин , можно один и тот же датчик использовать для измерения токов с различными их предельными значениями.

- Выходным сигналом датчика тока является падение напряжения Квых на резисторе 8. Сопротивление резистора 8 строго калиб- ро вахо, и падение напряжения на нем от тока Ioc будет с высокой степенью точности соответствовать измеряемому току х,

Использование в устройстве трехстерж- невого сердечника с воздушными зазорами в каждом стержне снижает величину действующего на элемент Холла 5 магнитного потока от измеряемого тока х. Это позволяет существенно снизить число витков обмотки 4 обратной связи, а, следовательно, массо- габаритные показатели датчика, Кроме того, возможность измерения предела измерения датчика обеспечивает его унификацию, т.е. конструкция, расход материалов и технология изготовления единые для датчиков тока с различными пределами измерения.

Использование: измерение тока тяговых двигателей электрического транспорта, Сущность изобретения: выполнение датчика на трехстержневом ферромагнитном сердечнике в двумя окнами и воздушными зазорами в каждом сгер жне, размещение силового провода с измеряемым током и обмотки обратной связи в разных окнах сердечника, использование калибровочной ферромагнитной прокладки в воздушном зазоре бокового стержня, прилежащего к окну, в котором проходит силовой провод. Датчик тока содержит трехстержневой ферромагнитный сердечник 1, калибровочную прокладку 3 в воздушном зазоре бокового стержня сердечника, обмотку 4 обратной связи, размещенную на другом боковом стержне сердечника, в воздушном зазоре которого размещен элемент Холла 5. Выход элемента Холла 5 через операционный усилитель 6, источник тока 7 и калиброванный резистор 8 соединен с обмоткой 4 обратной связи. 1 з,п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения 1. Датчик силового постоянного тока, содержащий ферромагнитный сердечник, снабженный обмоткой обратной связи, элемент Холла, выход которого подключен к входу усилителя, управляемый источник тока, вход которого соединен с выходом усилителя, а выход подключен к обмотке обратной связи через калибровочный резистор с выводами, предназначенными для подключения измерительного прибора, от л и- чающийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных показателей, ферромагнитный сердечник выполнен трехстержневым с воздушными зазор ами в каждом стержне, причем обмотка обратной связи нанесена на первый из боковых стержней, в воздушном зазоре которого установлен элемент Холла, а окно сердечника, прилегающее к второму боковому стержню, предназначено для пропускания провода с измеряемым током.