Устройство для обнаружения аномальных токов Советский патент 1981 года по МПК G01R19/00 

(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ АНОМАЛЬНЫХ Изобретение относится к измерител ной технике и может применяться для обнаружения токовых нагрузок в цепях постоянного и пульсирующего токов Преимущественная область использования - обнаружение коротких замыканий между электродами медерафинировочных электролизеров. Известно устройство для обнаружения аномальных токов, содержащее два датчика напряженности магнитного поля, располагаемых на различных расстояних от контролируемой шины или катодной штанги (в случае контроля токовой нагрузки катодов при рафинировании металлов).Сигналы с датчиков поступают на измерительный, блок, в котором формируется разностный сигнал Последний сравнивается с допустимым пороговым значением, и в результате сравнения обеспечивается обнаружение аномального тока р}. Недостатком устройства является необходимость использования двух датТОКОВIчиков и их подбора с целью обеспечения идентичных метрологических характеристик, а также дифференциальной схемы обработки информации с датчиков. Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для обнаружения аномальных токов, содержащее чувствительный элемент в виде катушки индуктивности с немагнитным сердечником, измерительный и пороговый блоки для анализа амплитуды импульса, снимаемого с чувствительного элемента. Катушка индуктивности расположена на клещеобразном захватном приспособлении, открытом в нормальном состоянии. При установке на контролируемую шину или катодную итангу захваты закрываются. При этом катушка пересекает магнитные силовые линии вблизи катодной штанги, в результате чего в катушке наводится импульс ЭДС, амплитуда которого пропорциональна контролируемому току .2, Недостатком устройства является его низкая надежность в связи с необходимостью использования подвижных узлов в чувствительном элементе, что не позволяет обеспечить длительную качественную работу устройства, напри мер, а сложных условиях медерафинировочного производства: при наличии агрессивных паров серной кислоты, повышенной температуре. Необходимым условием нормальной работы устройства является обеспечение постоянной скорости перемещения захватов при их закрывании независимо от усилия установки устройства на контролируемую катодную штангу„ Несмотря на|маличие известном устройстве ряда специальных демпфирующих приспособлений, предназначенных для выполнения этого требования, длительная работа в указанных сложных условиях приводит к изменению скорости хода захватов, что вызывает расстройку устройства и приводит к большой погрешности измерения тока. Другим недостатком устройства, при водящим к большой погрешности обнаружения аномальных токов, является влия ние на результат измерения тока в данной шине магнитного поля соседних шин (или магнитного поля сосед1чих катодных штанг в случае электрорафинирования металлов). Например, при контроле токовой нагрузки катодов в ванне при рафинировании меди,существенное влияние на результат измерения оказывает расположенные на близком расстоянии катодные штанги соседних электродов. Это объясняется тем, что в исходном состоянии захваты устройства открыты и приближены к соседним электродам При этом устройство реагирует не только на магнит ное поле контролируемого катода, но и на магнитное поле соседних катодов, что существенно искажает результат измерения. Кроме того, недостатком известного устройства является низкая помехозащищенность по отношению к импульсным помехам. Последние являются наиболее характерными для условий электрорафинирования металлов. Они вызываются включением иЪтключением электролизеров, появляются при возникновении коротких замыканий между электродами в ванных, возникают при искрениях в роликах кранов, перемещающихся по цеху. 04 Полезным сигналом известного устройства является импульс ЭДС, возникающий в катушке чувствительного элемента при закрывании захватов. Поскольку помеха имеет также импульсный характер, то, поступая на вход измерительной схемы или складываясь с полезным сигналом, она существенно влияет на работу устройства. Цель изобретения - повышение надежности ,увеличение помехозащищенности и повышение чувствительности устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем последовательно включенные элемент в виде катушки индуктивности с сердечником, измерительный и пороговый блоки, сердечник выполнен из магнитномягкого материала в виде пакета П образных, электрических изолированных друг от друга пластин, а измерительный блок выполнен в виде автогенератора на транзисторе, при этом катушка индуктивности включена между коллектором и базой транзистора, емкости подклю чены между общей шиной, базой и коллектором транзистора, коллекторная цепь которого подключена к источнику питания через постоянный резистор, базовая - через переменный резистор, а эмиттер соединен с общей шиной через резистор отрицательной обратной связи, причем вход порогового блока соединен с коллектором транзистора. На чертеже изображена схема предлагаемого устройства. Устройство содержит чувствительный элемент в виде катушки 1 индуктивности с сердечником 2, представляющим собой пакет П-образных пластин 3 из магнитномягкого материала, например пермаллоя. Пластины электрически изолированы одна от другой диэлектриком , например слоем эпоксидной смолы. Катушка 1 индуктивности включена через раздельный конденсатор 5 в контур автогенератора на транзисторе 6 между его коллектором и базой. Первый конденсатор 7 колебательного контура включен между базой транзистора б и общей шиной 8, второй конденсатор 9 включен между коллектором и общей шиной 8. Коллекторная Цепь транзистора 6 подключена к источнику питания через I постоянный резистор ТО, а базовая - через переменный резистор 11. Эмиттер транзистора 6 соединен с общей шиной 8 через резистор 12 отрицательной обратной связи. Пороговая схема выполнена в виде ждущего мультивибратора 13. Контролируемая шина 14 расположена между вертикальными сторонами П-обра ного сердечника 2„ Один из возможных вариантов ждущего мультивибратора 13 содержит два неготовых логических элемента 15 и 16, времязадающую цепь состоящую из резистора 1 и конденсатора 18, и индикатор 19 состояния мультивибратора 13. Устройство работает следующим образоМоЧувствительный элемент в виде каТушки 1 индуктивности, расположенной на сердечнике 2, устанавливается на контролируемую шину (или катодную штангу в случае рафинирования металлов) , При этом сердечник 2 оказывается в магнитном поле контролируемой шины 1. Магнитная проницаемость сердечника 2 является однозначной функци ей индукции магнитного поля, в которо помещен сердечник 2, Увеличение магнитной индукции приводит к снижению магнитной проницаемости сердечника 2 а ее уменьшение вызывает увеличение магнитной проницаемости сердечника;2. Индуктивность катушки 1 пропорци«ональна магнитной проницаемости сердечника 2. Поскольку увеличение тока протекающего через шину 1U, приводит к увеличению индукции магнитного поля то это вызывает уменьшение индуктивности катушки 1. При уменьшении тока через шину 1 индуктивность катушки увеличивается.; Изменение индуктивности катушки 1 приводит к изменению эквивалентного сопротивления К колебательного контура автогенератора: L где L - индуктивность катушки; Cw- результирующая контурная емкость; г - сопротивление потерь контура при его последовательном обходе о Изменение RQ. приводит к изменению амплитуды установившихся колебаний автогенератора: увеличение R conpoвождается ростом амплитуды колебаний а его уменьшение приводит к уменьшению колебаний. Таким образом, при увеличении тока через контролируемую шину 14 амплитуда генерируемых колебаний уменьшается. Уменьшение же тока через шину 14 приводит к увеличению амплитуды колебаний. Введение отрицательной обратной связи с помощью сопротивления R делает величину, обратную коэффицинту обратной связи кГ7 зависящей от индуктивности катушки 1 ( сопротивление резистора 12; г - сопротивление потерь контура J L-индуктивность катушки 1). При . этом с уменьшением индуктивности j -rрастет. Следовательно, чувствительность предлагаемого устройства повышается за счет введения резистора 12 отрицательной обратной связи. Для того,чтобы при наличии отрицательной обратной связи условия самовозбуждения все же выполнялись, необходимо. р п и чтобы --JS- -,111. или -- X,-C|t Roe легко достигается правильным выбором резистора 12„ Коллекторная цепь транзистора 6 питается через резистор 10. Поэтому коллекторное напряжение описывается следующей формулой к() й- , (2) где R постоянная составляющая коллекторного напряжения;постоянная составляющая коллекто эного тока; сопротивление резистора 10 о Минимальное значение коллекторного, напряжения получается из выражения (2), если в нем положить М K-WOKCr где (- амплитуда коллекторного напряжения. Поскольку амплитуда коллекторного напряжения ,зависит от индуктивности катушки 1, также является функцией индуктивности катушки 1, а, следовательно, тока через контролируемую шину. Следовательно, по минимальным значениям коллекторного напряжения устройство можно проградуировать в значениях тока через контролируемую шину. Из соотношения (З) следует также, что для градуировки устройства можно использовать UK,O- Действительно, зафик сируем U| IV1HH некотором определенно постоянно уровне. Это означает, что для каждого значения изменяющейся амплитуды коллекторного напряжения и подбирается такое значение , чтобы разность в правой части выраже ния (З) была постоянной .н KOVdr к.мскс vdiрегулируемое значение постоянной составляющей коллекторного напряжения ; изменяющееся значение Motcvar амплитуды коллекторног напряжения. Для регулировки постоянной состав ляющей коллекторного напряжения базо вая цепь транзистора питается через переменный резистор 11. Изменение с помощью переменного резистора 11 базового тока l|,fip приводит к изменению постоянной составляющей коллекторног тока 1 S|J/IQ {в - коэффициент ус ления тока в схеме с общим эмиттером) , а. следовательно, и постоянной составляющей коллекторного напряженияТаким образом, положения движка переменного ,резистора 11 могут быть ; проградуиров,а}ч.ы в значениях тока, . I протекающего через контролируемую ;шину, если имеется пороговый блок, который позволяет зафиксировать достижение коллекторным напряжением некоторого определенного минимального значения при изменении положения движка переменного резистора 11 В качестве такого порогового блока в предлагаемом устройстве используется ждущий мультивибратор 13. Он запускается в том случае, когда напряжение на его входе достигается минимального значения . После запуска мультивибратор генерирует импульс, длительность которого опре деляется постоянной времени цепи из конденсатора 18 и резистора 17. В течение времени генерирования импул са напряжение на индикаторе 19 состо яния Гмультивибратора мало, индикатор выключается (например, лампочка гас нет). Вход мультивибратора t3 блокир ется на время, равное длительности генерируемого импульса, поэтому он оказывается нечувствительным к возрастанию коллекторного напряжения сверх уровня и . После окончания импульса напряжение на выходе мультивибратора кратковременно повышается, однако при очередном достижении коллекторным напряжением значения Upop мультивибратор 13 снова запустится. Если длительность импульса мультивибратора 13 превышает период колебаний автогенератора, то время, течение которого на выходе мультивибратора низкое напряжение, значительно превышает время, когда это напряжение велико. Если для анализа состояния мультивибратора 13 используется достаточно инерционный, например визуальный индикатор 19, то наблю датель фиксирует погасание индикатора, когда амплитуда колебаний автогенератора велика и минимальное значение напряжения на коллекторе транзистора 6 меньше уровня срабатывания мультивибратора 13. Это означает, что аварийная сигнализация отсутствует. когда ток через контролируемую шину меньше выбранного порогового значения, установленного по шкале, связанной с движком переменного резистора 11. Когда ток через контролируемую шину 1 превышает выбранное пороговое значение, амплитуда колебаний автогенератора уменьшается настолько, что минимальное значение напряжения на коллекторе транзистора 6 превышает уровень Up. При этом мультивибратор 13 не запускается, напряжение на его выходе велико и аварийная сигнализация срабатывает (например, индикатор 19 загорается и горит постоянно), Таким образом, в предлагаемом устройстве совмещены функции пороговой аварийной сигнализации о повышении током через контролируемую шину 1 некоторого порогового значения с возможностью измерения тока через шину 1. В последнем случае переменный резистор 11 плавно вращается до тех пор, пока не срабатывает индикатор 19 состояния мультивибратора 13. 11Трекратив после этого вращение резистора 11,по шкале, связанной с его движком, производится за отсчет контролируемого тока. Основной эффект от использования предлагаемого устройства может быть получен на медерафинировочных предприятиях за счет повышения точности