Устройство для бесконтактного измерения тока Советский патент 1982 года по МПК G01R13/40 

(Sk} УСТРОйеТВр .ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ . ТОКА

/ : Изобретение относится к электррiизмерительной технике и предназначе-. но для использования при контроле постоянного или медленно меняющегося тока на линиях электропередач высокого напряжения.. ;

Известно устройство для бесконтактного измерения тока, содержащее на стороне высокого .напряжения йервичную ячейку Фарадея, а на cTOfpOHe : низкого напряжения - источник поля- , : ризованного света, фотоприемн ик с последовательно установленными компенсационной ячейкой Фарадея, д1«ализатором и фотодетектором, усилитель компенсационного тока, вход котррого соединен с выходом фотодетекторй, а выход через образцовый резисто|9 подключен к обмотке компенсаци ной ячейки Фарадея l.,

Недостатки известного устройства заключаются в значительных аддитивной и мультиплекативной погрешностях. Аддитивная погрешность обусяов

лена дрейфом нуля усилителя постоянного тока. Мультипликативная погрешность вызвана недокомпенсацией угла поворота плоскости поляризации из-за ограниченного коэффициента передачи .усилителя. Увеличение же коэффициента передачи усилителя может привести к потере устойчивости систры компенсации и самовозбуждению. Кроме Того, для расширения диапазона измеряемых

10 токов приходится значительно увеличивать габариты и вес компенсационной ячейки Фарадея, а также потреб:,яяемую ею мощность.

Наиболее близким по технической

IS сущности к П|гедлагаемому является устройство для бесконтактного измерения тока, содержащее на стороне высокого напряжения первичную ячейку Фарадея, а на стороне низкого накпряжения - источник поляризованного света, фотоприемник с последовательно установленными компенсационной ячейкой Фарадея, азимутальным модуля391

тором, анализатором и фотодетектором, селективный усилитель, вход которого соединен с выходом фотодетектора, генератор модуляционного тока, выход которого подключен к обмотке азимутального модулятора, синхронный детектор, входы которого соединены с выходами селективного усилителя и генератора модуляционного тока, усилитель компенсационного тока, вход которого подключен к выходу синхроннего детектора, а выход соединен с обмоткой компенсационной ячейки Фарадея через первый образцовый резистор, связанный с шиной нулевого потенциала.

В указанном устройстве усиление сигнала фотодетектора осуществляется сначала на частоте модуляции и только после синхронного детектирования на постоянном токе. В связи с этим аддитивная погрешность от дрейфа нуля усилителя постоянного тока оказывается невысокой. Опасность самовозбуждения и мультипликативная погрешность от недокомпенсации также в значительной мере уменьшены, поскольку усиление осуществляется двумя .последовательно включенными усилителями с различными частотными характеристиками J.

Однако данное устройство имеет и ряд недостатков, которые проявляются в малой величине компенсируемого угла поворота плоскости поляризации, значительных габаритах и весе компенсационной ячейки Фарадея, а .также больиюй потребляемой мощности, расходуемой 8 цепи компенсационной ячейки Фарадея. Все эти недостатки обусловлены малой постоянной Верде диамагнитного стекла (тяжелого флинта), которое используется в качестве сердечника (рабочего тела) в компенсационной ячейке арадея, обычно представляющей собой соленоид.

Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых токов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для бесконтактого измерения тока, содержащем на тороне высокого напряжения первичную ячейку Фарадея, а на стороне низкого апряжения - источник поляризованного света, фотоприемник с последовательно установленными компенсационной ячейкой Фарадея, азимутальным модулятором, анализатором и фотодетектором,

94

селективный усилитель, вход которого соединен с выходом фотодетектора, генератор модуляционного тока, выход которого подключен к обмотке азимутального модулятора, синхронный детектор., входы которого соединены с выходами селективного усилителя и генератора модуляционного тока, усилитель компенсационного тока,

вход которого подключен к выходу

синхронного детектора, а выход соединен с обмоткой компенсационной ячейки Фарадея через первый образцовый резистор, связанный с шиной нулевого потенциала, на стороне низкого напряжения введены калибровочная ячейка Фарадея, генератор калибровочного тока, второй образцовый резистор, управляемый делитель напряжения, фазовращатель, блок вычитания, усилитель сигнала калибровочной частоты и дополнительный синхронный детектор, а сердечник компенсационной ячейки Фарадея выполнен из парамагнитного стекла, причем обмотка калибровочной ячейки Фарадея подключена к выходу генератора калибровочного тока через второй образцовый резистор, связанный с шиной нулевого потенциала, сигнальный вход управляемого делителя напряжения соединен с незаземленным выводомпервого образцового резистора, управляющий вход с выходом дополнительного синхронного

детектора, а выход - с одним из входов блока вычитания, другой вход которого через фазовращатель подключен к незаземленному выводу второго образцового резистора, вход усилителя

сигнала калибровочной частоты соединен с выходом блока вычитания, являющимся общим выходом устройства, а выход - с одним из входов дополнительного синхронного детектора, другой

вход которого подключен к выходу генератора калибровочного тока.

Сердечник компенсационной ячейки Фарадея выполнен из парамагнитного стекла с большой постоянной Верде,

Однако парамагнитное стекло обладает значительной температурной зависимостью постоянной Верде, что а принципе может привести к большой дополнительной мультипликативной погрешности от изменений температуры, В связи с этим предложенное устройство снабжено системой исключения мультипликативной погрешности от температурной зависимости постоянной Верде, включающей в свой состав перечисленные выше калибровочную ячейку Фарадея, генератор калибровочного тока, второй образцовый резистор, управлявмый делитель напряжения, фазовраща-. тель, блок вычитания, усилитель си1- нала калибровочной частоты и дополнительный синхронный детектор.

Путем управления коэффициентом передачи управляемого делителя напряжения, который изменяется таким образом, чтобы поддерживался постоянным коэффициент,преобразования устройства, удается исключить мультипликативную погрешность, обусловленную изменениями температуры сердечника компенсационной ячейки Фарадея. Контроль за значением коэффициента преобразования устроййтва осуществляется с помощью калибровочной ячейки Фарадея, питаемой переменным, например синусоидальным током. Частота калибровочного тока выбирается настолько низкой, чтобы система компенсации успевала компенсировать угол поворота плоскости поляризации, обусловленный калибровочной ячейкой Фарадея,, с допустимой амплитудой и фазовой погрешностью. Через первый образцовый резистор протекает, помиМО постоянной составляющей компенсационного тока, обусловленной измеряемым током, еще и переменная состав ляющая, амплитуда которой зависит от угла поворота плоскости поляризации в калибровочной ячейке Фарадея и постоянной времени компенсационной ячейки Фарадея. Поддерживая амплитуду переменной составляющей напряжения на выходе управляемого делителя равной напряжению на втором образцовом резисторе можно обеспечить постоянство коэффициента преобразования устройства. В результате предлагаемое устройство по точности измерения оказывается примерно одинаковым с известными, но имеет более широкий диапазон измеряемых токов, меньшие вес, габариты и потребляемую мощность

На чертеже представлена функциональная схема предложенного устройства для бесконтактного измерения тока.

Оптическая часть устройства содержит размещенные по ходу светового луча источник 1 поляризованного света, калибровочную ячейку 2 Фарадея,

первичную ячейку.3 Фарадея (первичный измерительный преобразователь силы тока в угол поворота плоскости поляризации), компенсационную ячейку Ц Фарадея (компенсатор угла поворота |Плоскости поляризации), азимутальный модулятор 5, анализатор 6 и фотодетектор 7.

В качестве источника 1 поляризованного света может использоваться ,лазер или источник неполяризованного света в сочетании с поляризатором. В последнем случае для формирования узкого пучка, передаваемого на расстояние в несколько метров, применяют коллиматор. Сердечники калибровочной 2 и первичной 3 ячеек Фарадея изготовлены из диамагнитного стекла, у которого постоянная Верде не зависит от температуры. Сердечник компенсационной ячейки Фарадея выполнен из парамагнитного стекла с большой постоянной Верде.

В состав электронной части устройства входят селективный усилитель 8, синхронный детектор 9, усилитель 10 компенсационного тока, образцовый резистор П, генератор 12 модуляционного тока, генератор 13 калибровочного тока, образцовый резистор Н, управляемый делитель 15 напряжения, блок 16 вычитания,-фазовращатель 17, усилитель 18 сигнала калибровочной частоты и синхронный детектор 19Устройство работает следующим образом.

Линейно поляризованный свет от источника 1 света проходит через калибровочную ячейку 2 Фарадея, которая питается переменным током, например, синусоидальной формы, от генератора 13 калибровочного через образцовый резистор И. Возникающий в калибровочной ячейке 2 поворот плоскости поляризации оказывается пропорциональным калибровочному току и напряжению на образцовом резисторе 1. Поскольку сердечник ячейки 2 изготовлен из диамагнитного стекла, постоянная Верде которого не зависит от температуры, амплитуда угла поворота плоскости поляризации определяется только амплитудой протекающего через данную ячейку тока.

После калибровочной ячейки 2 световой поток через воздушный канал связи поступает в первичную ячейку 3 Фарадея, где плоскость поляризации (Света поворачивается на угол, пропор циональный силе измеряемого тока. Ячейка 3 включает в себя шину с изме ряемым током, сердечник из диамагнит ного стекла, находящийся в магнитном поле тока, а также нозвратно-отражаюи|ую систему f (условно показанную на схеме в виде двух зеркал), котора направляет входящий световой поток вдоль оси сердечника, а выходящий световой поток - в сторону фотоприемника. Световой поток, прошедший первичную ячейку 3 Фарадея, пропускается далее через компенсационную ячейку (Фарадея, представляющую собой соленоид с сердечником из парамагнитного стекла, которое обладает большо постоянной Верде. В компенсационной ячейке Фарадея происходит поворот плоскости поляризации, равный по вел чине и противоположный по знаку пово ротам калибровочной 2 и первичной 3 ячеек Фарадея. .1 : , , , , Вышедший из компенсационной ячейк Ц Фарадея световой поток через азимутальный модулятор 5 и анализатор 6 направляется к фотодетектору 7. Ааимзггальный, мо/з лятор 5 выполнен в виде ячейки Фарадея по обмотке кото рой проходит переменный ток от гене(эатора 12 модуляционного тока Моду ляционный ток может иметь, например, синусоидальную или прямоугольную форму. Анализато|р 6 преобразует изменения азимута плоскости Поляризаци падаюк го на него излучения в измене ния потока излучения, подводящегося к фотодетектору 7« В качестве послед него могут использоваться фотоумно1иитепь, фотодиод и т.п. При полной компенсации компенсационной ячейкой Фарадея углов поворота плоскости яойяризацим в калибровочной 2 и первичной 3 ячейках Фарадея 8 спектре тока фотодетектора 7 отсут.ствуе т перг вая гармоника частоты азимутальной модуляции. Присутствие первой гармоники фототока говорит о неполной ког1Ненсацми названных углов поворота п/Госкости поляризаций. Сигнал фотодетектора 7 усиге вается селективным усилителем-8 и поступает на синхронный детектор 9- Усилитель 8 и детектор 9 нас роены на частоту азимутальной Модуляции. На опорный вход синхронного детектора 9 поступает напряжение частоты-модуляции, выпрямленный и сглаженный сигнал после синхронного детектора 9 усиливается усилителем 10 компенсационного тока и поступает в обмЬтку компенсационной ячейки 4 Фарадея. При достаточно большом коэффициенте усиления усилителей В и 10 ошибка от недокомпенсации оказывается меньше допустимой. Напряжение, пропорциональное .компенсационному току и сумме измеряемого и калибровочного углов поворота плоскости поляризации, снимается с .образцового резистора t1. Напряжение, снимаемое с образцового резистора П, поступает на управляемый делитель 15, изменения коэффициента передачи которого позволяют исключить мультипликативную погрешность от изменения постоянной Верде. Для формирования сигнала ошибки напряжение с выхода управляемого делителя 15 напряжения и напряжение с образцового резистора ТА; пропорциональное калибровочному углу поворота плоскости поляризации, поступают на входы блока 16 вычитания. При отсутствии на выходе блока 1б вычитания напряжения калибровочной частоты мультипликативная погрешность от изменения постоянной Верде компенсационной ячейки Ц Фарадея также отсутствует. Фазовращатель 17 позволяет скомпенсировать сдвиг фаз, который возникает в цепи компенсации угла поворота плоскости поляризаци{4. Это необходимо для исключения квадратурной составляющей в напряжении на выходе блока 16 вычитания. Разностный сигнал калибровочной частоты усиливается в усилителе 18, выпрямляется синхронным детектором 19 и подается на управляющий вход управляемого делителя 15 напряжения. Коэффициент деления делителя 15 изменяется таким образом, чтобы напряжения калибровочной частоты на входах блока 16 вычитания оказались равными. Выходное напряжение устройства снимается с выхода блока 16 вычитания, где переменная составляющая калибровочной частоты отсутствует Предлагаемое устройство позволяет проводить измерение постоянного или медленно меняющегося тока без разрыва цепей и без отбора мощности из линий электропередач,. Формула изооретения Устройство для бесконтактного из шрф4ия тока, содержащее на стороне

9-91

высокого напряжения первичную ячейку Фарадея, а на стороне низкого напряжения - источник поляризованного света, фотоприемник с последовательно установленными компенсационной ячейкой Фарадёя, азимутальным модулятором, анализатором и фотодетектором селективный усилитель, вход которого соединен с выходом фотодетектора, генератор модуляционного тока, которого подключен к обмотке азимутального модулятора, синхронный детектор, входы которого соедиь|ены С выходами селективного усилители И генератора модуляционного тока, усилитель компенсационного тока, вход которого подключен к выходу синхронного детектора, а выход соединен с обмоткой компенсационной ячейки Фарадёя через первый образцовый резистор, связанный с шиной нулевого потенциала, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона измеряв мых токов, на ctopoHe низкого нзпйя |жения введены калибровочнаяячейка Фа радея, генератор калибровочного , тока, второй образцовый резистор,, управляемый делитель напряжения, фазовращатель, б/юк вычитания, усилитель сигнала калибровочной частоты и дополнительный синхронный детектор.

9, ° .

а сердечник компенсационной ячейки Фарадёя выполнен из парамагнитного стекла, причем обмотка калибровочной ячейки Фарадёя подключена к выходу

генератора калибровочного тока через второй образцовый резистор, связанный с шиной нулевого потенциала, сигнальный вход управляемого делителя напряжения соединен с незаземленным

выводом первого образцового резистора, управлякэщий вход - с выходом дополнительного синхронного детектора, а выход - с одним из входов блока вычитания , другой вход которого через

фазовращатель подключен к незаземленному выводу второго образцового резистора, вход усилителя сигнала калибровочной частоты соединен с -выходом блока вычитания являющимся

общимвыходом устройства, а выход с одним из входов дополнительного синхронного детектора, другой вход которого подктдачен к выходу генератора калибровочного тока.

. . ... .

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2. Патент Франций ff 15557999, кл. 6 01 R, 1968.