Устройство для измерения постоянного тока Советский патент 1982 года по МПК G01R19/20 

(5) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

t

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при прецизионном контроле постоянного тока бесконтактным методом.

Известно устройство для измерения постоянного тока, содержащее рабочую и дополнительную обмотки, размещенные на магнитопроводах, вспомогател ный источник тока, подключенный к дополнительной обмотке, конденсатор, образующий с рабочей обмоткой резонансный контур, с которым соединены генератор частоты и фазовый детектор, связанный с регистрирующим прибором 11 .

Недостатки известного устройства определяются ограниченным практическим применением, охватывающим конт- роль тока лишь в шинопроводах, подверженностью влиянию внешних магнитных полей.

Наиболее близким к изобретению является устройство для измерения

ПОСТОЯННОГО тока, содержащее магнито-модуляционный преобразователь, выполненный на двух магнитопроводах с обмотками возбуждения, измерительной, индикаторной и обратной связи, последовательно включенные между двумя последними обмотками .первый фильтр, усилитель переменного тока, фазовый детектор, усилитель постоянного тока и блок обратной связи, задающий

«О генератор, один из выходов которого подключен к управляющему входу фазового детектора, а: другой через делитель частоты и второй фильтр соединен с обмотками возбуждения, анаISлого-цифровой преобразователь, вход Которого подключен к выходу усилителя постоянного тока, а выход ко входу цифрового блока отсчета 2.

Недостаток указанного устройства

20 заключается в невысокой точности измерения. Общая погрешность результата измерения определяется нестабильностью коэффициентов передачи прямой и обратной цепей, а также влиянием внешних магнитных полей, и может достигать значительной вели чины. Основное средство для уменьшения погрешности от нестабильности коэффициента передачи прямой цепи состоит а применении глубокой отрицательной обратной связи. Однако увеличение глубины обратной связи снижает коэффициент преобразования измерителя тока и приводит к ухудшению динамических характеристик схемы вплоть до нарушения устойчивости (потери работоспособности). Погрешность, вносимая цепью обратной связи, зависит от временной и температурной нестабильности отно шения сопротивлений резисторов обратной связи и ее дальнейшее снижение сопояжено с технологическими трудностями. Так, для уменьшения вл ния внешних магнитных полей необходимо тщательное магнитное экранирование. Используют двойное-или тройное экранирование. Магнитные экраны изготовляются из магнитомягких материалов, в основном из пермаллоя технологическая обработка которого сложна.Все это приводит к усложнени и удорожанию всей конструкции в целом. Цель изобретения - повышение точ ности измерительного устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для. измерения постоянного тока, содержащее магнитомодуляционный преобразователь, вы полненный на двух магнитопроводах. с обмотками возбуждения, измерительный, индикаторной и обратной связи, последовательно включенные между двумя последними обмотками первый фильтр, усилитель переменного тока фазовый детектор, усилитель постоян ного тока и блок обратной связи, задающий i енератор, один из выходов которого подключен к управляющему входу фазового детектора, а другой через делитель частоты и второй фильтр соединен с обмотками возбуждения, аналого-цифровой преобразова тель, вход которого подключен к вых ду усилителя постоянного тока, циф ровой блок отсчета, введены блок программного управления, цифровой делительный блок, вспомогательный источник тока, блок управления коммутацией, два ключа, два переключателя и два балластных резистора, а на магнитопроводы магнитомодуляционного преобразователя нанесены две дополнительные обмотки, причем выходы блока программного управления соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, цифрового делительного блока, цифрового блока цифрового отсчета и блока управления коммутацией, вспомогательный источник тока через первый переключатель подключен к первому балластному резистору и к одной из дополнительных обмоток, в цепи которой установлен первый ключ, другая дополнительная обмотка, в цепи которой установлен второй ключ, измерительная обмотка и второй балластнь|й резистор соединены в звезду, эдна из входных клемм устройства жестко связана со свободным выводок измерительной обмотки, а другая через второй переключатель подключена к свободному выводу второго балластного резистора и к сигнальному входу второго ключа, управляющие входы ключей и переключателей соединены с соответствующими выходами блока управления коммутацией, вход цифрового делительного блока подключен к выходу аналого-цифрового преобразователя, а выход - ко входу цифрового блока отсчета. На чертеже представлена функциональная схема предложенного устройства. Основу устройства составляет магнитомодуляционный преобразователь (ММП) 1 , выполненный на двух магнитопроводах 2 и 3 с обмотками k и S возбуждения, измерительной обмоткой 6, индикаторной обмоткой 7, обмоткой 8 обратной связи и дополнительными обмотками 9 и 10. Между индикаторной обмоткой 7 и обмоткой обратной 8 связи включены последовательно фильтр 11, усилитель 12 переменного тока. Фазовый детектор 13, усилитель Ц постоянного тока и блок 15 обратной связи. К выходу усилителя k постоянного тока подключен аналогоцифровой преобразователь (АЦП) 16. Фазовым детектором 13 управляет задающий генератор 17, соединенный также через делите-ль 18 частоты и фильтр 19 с обмотками возбуждения и 5На выходе АЦП 16 размещен цифровой делительный блок 20, связанный с цифровым блоком 21 отсчета. В состав устройства входят также ключи 22 и 23, переключатели и 25, вспомогательный источник тока 26, балластные резисторы 27 и 28, блок 29 управления коммутацией. Общая координация работы составных элементов устройства осуществляется блоком 30 программного управления. Позициями 31 и 32 на схеме обозначены входные клеммы, к которым подключается источник контролируемого тока. Измерение тока осуществляют периодически за четыре такта. В первом такте сигналом с блока 30 программного управления с помощью блока 29 управления коммутацией размыкают ключ 22, замыкают ключ 23, устанавливают переключатель 2 в верхнее, а переключатель 25 в нижнее по схеме положения. Тем самым источник 2б тока нагружают балластным резистором 27, а контролируемый ток пропускают по обмоткам ,6 и 10. От задающего генератора 17 через делитель частоты 18 и фильтр 19 подают ток- на обмотки 4 и 5Этим током магнитопроводы 2 и 3 дважды за период приводятся к насыщению, причем таким образом, что магнитные потоки в них имеют противоположные знаки. С помощью ММП 1 пре- дд обр4)зуют контролируемый ток в постоянное магнитное поле, о затем в ЭДС четных гармоник частоты тока возбуждения. Фильтром 11 выделяют вторую гармонику, усилителем 12ее усиливают, фазовым детектором 13преобразуют в постоянный ток, усилителем 14 этот ток снова усиливают и пропускают по обмотке 8 обратной связи. АЦП 16 преобразует выходной ток усилителя в цифровой код, который записывается в цифровой делительный блок 20. Во втором такте по команде от блока программного управления 30 опять же с помощью блока управления коммутацией 29 размыкают ключ 23, замыкают ключ 22, переключатель 25 переводят в верхнее, а переключатель 2 - в нижнее положение. Тем самым ток источника тока 26 пропускают по обмотке 9, а контролируемый ток - по обмотке 6 и балластному резистору 28. Вновь ММП 1 преобразует контролируемый ток в постоянное магнитное поле, а последнеев ЭДС гармоник частоты тока возбуждений. Дальнейшие преобразования этой ЭДС аналогичны преобразова9205 6ния лит код так го ком пер нег руе по ру сов ров го циф В п и в тре и о ное тре рен ния опр « м первого такта. В цифровом деельном блоке 20 записывается результата измерения второго та. В третьем такте блоком программноуправления 30 и блоком управления мутаций 29 размыкают ключ 22 и еводят переключатель 2 из верхо положения в нижнее. Контролимый ток пропускают, как и ранее обмотке 6 и балластному резисто28, осуществляя всю указанную окупность преобразований. В цифой делительный блок 20 заносится ультат. измерения третьего такта. В четвертом такте блок программноуправления 30 отключает АЦП 16 от рового делительного блока 20. оследнем из результатов первого торого тактов вычитают результат тьего, получают две разности дну из них делят на другую. Частот деления высвечивают в первых х тактах следующего цикла измеия как итоговый результат измере. Коэффициент передачи ММП 1 можно еделить как тп-- ЧиЛ-5-Ло (,ЭДС четных . гармоник, наводимая в индикаторной обмотке 7 с количеством витков W ; площадь поперечного сечения магнитопроводов;Ар 4ЧО гн/м магнитная постоянная;дифференциальная проницаемость магнитопровода;напряженность постоянного ма1 нитного поля в магнитопроводах, создаваемая как постоянными токами, протекаю. 92 щими через обмотки МНП 1, так и внешними магнитными полями; н, в напряженность и индукция поля возбуждения в магнитолроводах. Если напряженность постоянного магнитного поля намного меньше амплитуды напряженности поля возбуждения то, как видно из уравнения (1), коэффициент передачи не завиот нее. в первом такте на вход АЦП 16 подают ток V-(«,().) OC. ,г где х напряженность постоянного ма1- АОП.)/ нитного поля, создаваемая контролируемым током 3 , протекающим через обмотки 6 и 10 с количеством . напряженность постоянного маг нитного поля, создаваемая током Зос1 Р° текающим через обмотку обратной связи с количеством витков Woe; дН - напряженность магнитного поля в магнитопроводах, создаваемая внешними магнитными полями;t - длина средней магнитной линии магнитопровода; коэффициент передачи избирательного тракта; ф N-i фд 1 У1 коэффициент преобразования созуеПри где ют Во кол обр ка 20 Nn ся сов лит раб тов 55 .ответственнофильтра 11, усилителя 12, фазового детектора 13 и усилителя 1. Для тока обратной связи ofi спраливо следующее выражение: Зое л 11(3) P(7t коэффициент передачи блока обратной связи 15Подставляя значение тока Зо&л из ажения (3) в выражение (2), полум1/.X ммп HV e(i ОС ммп иу ос Ч(.)Не.(4) На выходе АЦП 16 ток 3-i преобратся в количество импульсов N.,. этом -It ммп г+(ь x(v(..)uHg , (5, Кдп - коэффициент преобразования АЦП 16. Количество импульсов N записывав цифровой делительный блок 20. втором такте через обмотку 9 с ичеством витков Q,(i пропускают азцовый ток Зо от источника то26. В цифровой делительный блок записывается количество импульсов соответствующее -УС УС N У Ц X i .-iCj. , .).Ль) в третьем такте ток Зо отключаетот обмотки 9 Количество импульN, записываемое в цифровой деельный блок 20, определяется как Mwn a Au,n ((Ьос В четвертом такте производят обтку результатов предыдущих так. При этом вычисляются, разности . , х АОП-1 v; . I/ . I/ wwn wv u,o e fboc- Mfl-Kuv nr .а.з) Окончательный результат получае ся в виде п Если обозначить Ny -ч- выражения (10) 1 S О АопЛ Именно это количество импульсов и индицируют в блоке цифрового отсчета 21. Величины сопротивлений балластных резисторов 27 и 28 выбирают равными омическим сопротивлениям дополнительных обмоток 9 и 10 соответственно. Это обеспечивает неизменность нагрузки как для вспомогательного источника тока 26, так и для источника контролируемого тока что необходимо для стабилизации токов .и для уменьшения влияния перехо ных процессов. С целью обеспечения безобрывной коммутации токовых цепе ключи 22 и 23 имеют время срабатывания, меньшее, чем время переключения переключателей 2 и 25. Как видно из выражения 10, погрешность предложенного устройства зависит от погрешности образцового тока, по грешности отношения витков и погреш ности дискретности. Погрешность образцового тока может составлять величину порядка 15-10 . Погрешност отношения витков на постоянном токе соответствует величине порядка t1 -10 °о. Каждая погрешность дискре ности может быть доведена до величи ны, в 5-10 раз меньшей погрешности образцового тока. Указанные погрешности не коррелированы между собой. В связи с этим результирующая среднеквадратическая погрешность измере ния постоянного тока составляет вел чину порядка +5-10 |. В предлагаемом устройстве исключена погрешность измерения от влияния внешних неизменных магнитных полей и значительно ослаблено влияние полей, медленно меняющихся. формула из.обретения Устройство для измерения постоямного тока, содержащее магнитомодуляционный преобразователь, выполненный на двух магнитопроводах с обмотками возбуждения, измерительной, индикаторной и обратной связи, последовательно включенные между двумя послед 0 ( ними обмотками первый фильтр, усилитель переменного тока, фазовый детектор, усилитель постоянного тока и блок обратной связи, задающий генератор, один из выходов которого подключен к управляющему входу фйзового детектора, а другой через делитель частоты и второй фильтр соединен с обмотками возбуждения, аналогоцифровой преобразователь, вход которого подключен к выходу усилителя постоянного тока, цифровой блок отсчета , отличающееся тем, что, с целью повышения точности, в него введены блок программного управления, цифровой делительный блок, вспомогательный источник тока, блок управления коммутацией, два ключа, два переключателя и два балластных резистора,а на магнитопроводы магнитомодуляционного преобразователя нанесены две дополнительные обмотки, причем выходы блока программного управления соединены с управляющими входами аналого-цифрового преобразователя, цифрового делительного блока, цифрового блока цифрового отсчёта и блока управления коммутацией, вспомогательный источник тока через первый переключатель подключен к перво-, му балластному резистору и к одной из дополнительных обмоток,.-в цепи которой установлен первый ключ, другая дополнительная обмотка, в цепи которой установлен второй ключ, измерительная обмотка и второй балластный резистор соединены в звезду, одна из входных клемм устройства жестко связана .со свободным выводом измерительной обмотки, а другая через второй переключатель подключена к свободному выводу второго балластного резистора и к сигнальному входу второго ключа, управляющие входы ключей и переключателей соединены с соответствующими выходами блока управления коммутацией, вход цифрового делительного блока подключен к ВЫХО.ДУ аналого-цифрового преобразователя, а выход - к входу цифрового лока отсчета. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР 512533, кл. G 01 R 19/02, .Беркман Р.Я. и др. Магниторанзисторные усилители гюстоянного апряжения.- Измерительная техника, 1972, S k, с. 56-57.