Амперметр действующего значения электрического тока Советский патент 1980 года по МПК G01R19/02 H01F38/20 

1

Изобретение относится к электроизмерительной технике.

Известны измерительные преобразователи действукядего значения электрического напряжения и тока, содержащие измерительный трансформатор, выходная обмотка которого соединена через полупроводниковый выпрямитель и индикатор с квадратичным детектором на диодио-резистивной цепочке с кусочно-гладкой аппроксимацией, подключенным к зталонному источнику постоянного напряжения i} .

Однако данное устройство имеет сложную конструкцию квадратичного детектора, требует особой стабильности эталонного источника постоянного напряжения, и способно преобразовывать при трансформаторной развяз не измерительных цепей действукяцйе значения только переменного тока и напряжения.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет измерения тока с постоянной составляющей, а также повышение надежности и Стабильности работы прибора.

Поставленная цель достигается тем, что амперметрдействующего

значения электрического тока, содержащий измерительный трансформатор с входной и выходной обмотками и индикатор среднего значения, подклюS ченный к выпрямителю, снабжен балансным интегратором, т ранзисторным каскадом с двумя диодами и времязадающей цепью, состоящей из последовательного соединения резистора и

to конденсатора, причем сердечники

измерительного трансформатора выполнены профилированными и на них расположены включенные попарно последовательно-встречно две секции коллекt5 торной обмотки транзисторного каскада и две секции iобмотки обратной связи, подключенные соответственно через первый диод к базе и через цепь, состоящую из времязадающего

20, конденсатора и второго диода - к эмиттеру транзисторного каскада, а выходная обмотка трансформатора, также состоящая из двух секций, подключена к выпрямителю через балансный интегратор, причем каждая из двух тороидальных частей сердечника измерительного трансформатора состоит из отдельных ферромагнитных колец из материала с прямоугольной петлей

30 гистерезиса, имеющих.сечение, пропорционашьное радиусу кольца и коэрцитивной силе материала с общим количеством колец, равным количеству участков апп роксимации вебер-амперн квадратичной характеристики преобр зования измерительного трансформатора. На фиг. 1 изображена приндипигшь ная схема амперметра; на фиг. 2 - п перечный разрез измерительного тран сформатора амперметра; на фиг. 3 эпюры напряжений и токов в различных точках схемы амперметра. Амперметр действующего значения электрического тока содержит измерительный трансформатор 1,профилированный по сечению, сердечник которого выполнен из двух тороидаль ных частей 2 и 3, причем каждая из этих частей может быть набрана из отдельных ферромагнг1тных колец 4, изготовленных из материала с прямоугольной петлей гистерезиса, с переменньм сечением. На обе части 2 и 3 сердечника намотаны включенные попарно последовательно-встречно две секции 5 и 6 обмотки обратной связи, и две секции 7 и 8 коллекторной обмотки транзисторного каскада адаптивного генератора импульсов тока. Транзисторный каскад адаптивного генератора импульсов тока собран на транзисторе 9 по схеме блокинггенератора, в коллекторной цепи которого, помимо секций 7 и 8 коллекторной обмотки, включен ограничител ный резистор .10, а в базовую цепь, помимо секций5 и б обмотки обратно связи, включен предохранительный диод 11. Времязадающий конденсатор 12 транзисторного каскада, зашунтированный фиксирующим диодом 13, подключен одним концом к эмиттеру транзистора 9 и одному полюсу источ ка питания, а другим концом - к общему выводу соединения обмотки обратной связи и времяэадающего резистора 14, подключенного также к связанному с другим полюсом источника питания/ выводу коллекторной обмотки измерительного трансформато ра 1, секции 15 и 16 выходной обмот которого соединены последовательносогласно между собой, и включены последовательно с потенциометром 17 Причем секции 5 и б обмотки обратной связи, секции 7 и 8 коллекторной обмотки и секции 15 и 16 выходной обмотки намотаны на каждой из частей 2 и 3 сердечника измерительного трансформатора 1 в отдель ности, в то время как входная обмот ка 18,которая выполнена в виде крепежного винта с токопроводящими контактги и, охватывает обе части 2 и 3 сердечника одновременно. Средни вывод потенциометра 17 и средний вывод соединения секций 15 и 16 вых ной обмотки подключены к конденсатору 19 емкостного баипансного интегратора, который включает в себя также потенциометр 17. Индикатор среднего значения 20, подключен к выходу балансного интегратора, параллельно конденсатору 19, через последовательно соединенные диод 21 однополупериодного выпрямителя и переменный резистор 22 регулировки чувствительности индикатора среднего значения. Усилитель напряжения телеметрического канала, собранный по схеме с общей базой на транзисторе 23, нагружен на выходной кабель 24 этого канала, в то время как вход усилителя подключен к последовательно соединенным индикатору среднего значения 20 и диоду 21 однополупериодного выпрямителя, причем полярность включения диода 21 противоположна полярности включения перехода эмиттер-база транзистора 23. В процессе работы амперметра действующего значения электрического тока, транзистор 9 периодически открывается за счет блокинг-процесса в его базовой цепи, в которой включен предохранительный диод 11, препятствующий попаданию на базу транзистора 9 большого обратного напряжения, и по секциям 7 и 8 коллекторной обмотки измерительного трансформатора 1 протекают импульсы тока с амплитудой намагничивающей силы, не менее чем вдвое превышающей максимальные амплитудные значения намагничивающей силы измеряемого электрического тока произвольной формы (фиг.З а) который протекает по секции 16 выходной обмотки измерительного трансформатора 1, причем амплитуда им- , пульсов напряжения транзисторного каскада (фиг. 3 в) ограничивается до необходимой величины резистором 10. Временные параметры транзисторного каскада адаптивного генератора импульсов тока определяются режимом намагничивания и величиной намагниченности от входного тока Jg обеих частей 2 и 3 сердечника измерительноно трансформатора, а также величинами времязадающей цепи из конденсатора 12.и резистора 14, но в отличии от обычного блокинг-генератора, у которого намагниченность сердечника не меняется от импульса к импульсу, намагниченность сердечника измерительного трансформатора 1 амперметра изменяется при изменении измеряемого электрического тока Jg , и за счет уменьшения времени перезаряда времязадающего конденсатора 12 включением параллельно ему фиксирующего диода 13, достигается адаптивное изменение периода срабатывания транзисторного каскада/ пропорциональное изменение величины измеряемого тока.

В отсутствии измеряемого тока обе части 2 и 3 сердечника измерительног трансформатора 1 по существу не изменяют своего магнитного состояния, та как уже первый импульс тока в секцй ях 7 и 8 коллекторной обмотки перемагни.чиваот обе части 2 и 3 сердечмика в насыщенное магнитное состояние которое не изменяется между импульСс1ми тока, вследствие наличия прямоугольной петли гистерезиса у материала сердечника. Период срабатыва ния в этом случае определяется перемагничиванием обеих частей 2 и 3 сердечника по насыщенному участку прямоугольной петли гистерезиса, а импульсы тока в секциях 15 и 16 выходной обмотки имеют противоположную полярность и могут быть скомпенсированы в балансном интеграторе амперметра.

При протекании измеряемого тока Jg по входной обмотке 18 измерительного трансформатора 1, на каждом периоде спада импульса тока в секция 7 и 8 коллекторной обмотки транзистоного каскада, магнитное поле в обеих частях 2 и 3 сердечника измерительного трансформатора 1 изменяется до величины, соответствующей максимальной мгновенной амплитуде входного тока. Так как магнитное поле в тороидальном сердечнике убывает от центра к краям, то в той части.сердеч ника, в которой магнитное поле, созд аваемое измеряемым током, и магнитное поле, создаваемое током подмагничивания р данном цикле измерения противоположны, происходит постепенное перемагничивание из одного магнитного состояния в другое определенного объема сердечника, или же для сердечника, набранного из отдельных ферромагнитных колец 4, поочередное перемагничивание этих колец, в то время как в другой части сердечника - такого перемагничивания не происходит, вследствие встречного включения секций 7 и 8 коллекторной обмотки измерительного трансформатора 1. Когда направление электрического тока изменяется, перемагничивание будет происходить в другой части сердечника.

Благодаря тому, что изменение профиля сечения сердечника или же сечения и коэрцитивной силы материал ферромагнитных колец 4, пропорцион.ально возрастанию радиуса перемагничивающего входным током объема сердечника или же радиуса ферромагнитных колец 4, изменение магнитного ,потока в той части сердечника, в которой происходит перемагничивание. пропорционально удвоенным величинам квадратов мгновенных значений измеряемого тока, так как перемагничиваюцийся объем сердечника пропорционален квадрату амплитуды измеряемого тока в данный момент, а перемагничивание Б сердечнике происходит дважды за каждый цикл измерения.

Квадратичная зависимость изменения магнитного потока от величины входного тока tJ0y получается за счет соответствующего профилирования сечения вдоль его радиуса.

Использование отдельных ферромагнитных колец 4 с переменным сечением в сердечнике измерительного трансформатора позволяет получить квадратичную зависимость изменения магнитного потока от величины входного тока с кусочно-гладкой аппроксимацией и общим количеством участков аппроксимации, равным количеству ферромагнитных колец 4 в каждой части 2 и 3 сердечника измерительного трансформатора 1, а изменение коэрцитивной силы материала ферромагнитных колец 4 позволяет расширить диапазон преобразования измерительного трансформатора 1 амперметра.

Поскольку частота транзисторного каскада амперметра зависит от намагниченности сердечника, то при быстром изменении входного тока происходит более частый опрос кривой входного тока, т.е. погрешность от квантования во времени в этом . случае почти такая же, как при постоянном или медленно меняющемся уровне входного тока, когда частота транзисторного каскада не меняется или меняется незначительно.

При этом имеем обратно пропорциональную Зависимость изменения частот транзисторного каскада в пределах рабочего диапазона от уровня намагниченности, создаваемой входным током. В процессе перемагничивания сердечника измерительного трансформатора 1 в секциях 15 и 16 выходной обмотки нводятся импульсы напряжения,вольт-секундная площадь которых определяется произвольной от соответствующих магнитных потоков.Поэтому,учитывая такж что частота транзисторного каскада изменяется в процессе работы, для реализадии операции возведения в квадрат мгновенных значений измеряемого тока с незначительной погрешностью, необходимо совершить обратйую операцию интегрирования, которая осуществляется при помощи балансного интегратора на потенциометре 17 и конденсаторе 19 (фиг. 3 с).

После балансного интегратора, через диод 21 однополупериодного выпрямителя и переменный резистор 22 регулировки чувствительности, на индикатор среднего значения -20 поступают импульсы напряжения Ugy, одной полярности (фиг. Зд), в то время как импульсы напряжения . другой полярности (дм.фиг. 3 е), через переменный резистор 22 регулировки чувствительности и транзистор 23 усилителя напряжения, поступают в кабель 24 телеметрического канала, причем средние значения 1/ор и УС Ра импульсов , напряжения Ienn и U пропорциональны сумме квадратов мгновенных значений измеряемого элек±рического тока. Таким образом, в амперметре реализуется вычисление известного выражениягде Эл - показания действующего значения электрического то ка индикатора амперметра; число измерений за период период измеряемого тока; мгновенные значения измеря мого тока. Предложенный амперметр действующего значения электрического тока, не уступая лучшим известным устройствам на квадратичных детекторах по точности и рабочему диапазону, имеет расширенные функциональные возможности за счет способности измерять действующее значение элект ческого тока при наличии постоянной составляющей, и более высокую надежность и стабильность параметров за счет устранения из схемы прибора эталонного источника напряжения, в то время как к напряжению питани используемого в амперметре не предъ является жестких требований по ста бильности. Формула изобретения 1. Амперме.тр действующего значе электрического тока, содержащий измерительный трансформатор с входной и выходной обмоткг1Мй и ин- дикатор среднего значения, подключенный к выпрямителю, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что, с целью расшярения функциональных возможностей за счет измерения тока с постоянной составляющей, а также повышения надежности и стабильности работы, он снабжен балансным интегратором, транзисторным каскадом с двумя диодами к времязадающей цепью, состоящей из последовательного соединения резистора и конденсатора, причем сердечники измерительного трансформатора выполнены.профилированными и на них расположены включенные попарно последовательно-встречно две секции коллекторной обмотки транзисторного каскада и две секции обмотки обратной связи, подключенные соответственно через первый диод к базе и через цепь, состоящую из времязадающего конденсатора и второго диода к змиттеру транзисторного каскада, а выходная обмотка трансформатора, также состоящая из двух секций, подключена к выпрямителю через балансный интегратор. 2. Амперметр по п, 1, отличающийся тем, что каждая из двух тороидальных частей сердечника измерительного трансформатора состоит из отдельных ферромагнитных колец из материала с прямоугольной петлей гистерезиса, имеющих сечение, пропорциональное радиусу кольца и коэрцитивной силе материала с общим количеством колец, равным количеству участков аппроксимации вебер-амперНйй квадратичной характеристики преобразования измерительного трансформатора . Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Савенко В.Г. Измерительная техника, М., Высшая школа, 1974, с. 180.

JS(

uiiS.it

Utt«

I

-4