Способ измерения тока Советский патент 1982 года по МПК G01R19/00 

(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА

-1

Изобретение относится к измерительной технике, и предназначено для бесконтактного измерения больших постоянных токов.

Известен способ бесконтактного измерения тока, основанный на измерении магнитного потенциала, действ ующего вдоль замкнутого-контураЬ , охватывающего токопровод с измеряемым током.3. Определение силы тока осуществляется на основе известного закона полного Toica.

Ф,

гдеН

тангенциальная составляющая напряженности магнитного поля на участке с16 замкнутого контура Ь .

Данный способ предусматривает одновременное измерение тангенциальной составляющей Н2 напряженности магнитного поля в и точках замкнутого контура, охватывающего токопровод, и определение силыизмеряемо1Х) тока по сумме элементарных магнитных потенциалов Mg

ХлЕ- , действующих на каждом элементарном отрезке замкнутого контура U , т. е.

.S

.

i-1 i

Необходимая точность измерения тока может быть достигнута либо за счет увеличения числа v -дискретных точек измерения, либо за счет точного оп ределения коэффициента пропорциональности между замеренным значением Н и истинным значением измеряемого тока в токопроводе flj.

Известный способ обладает следую15щими недостатками, при высокой неоднородности магнитного поля, имеющей место при протекании тока по токопроводу сложного профиля, для измерений требуется огромное количество высокоточных, а следовательно, дорогостоящих измерителей чапряженности магнитного поля. Попытка уменынениа необходимого количества из юртолей напряженности 396 магнитного попя за счет использования магнитных концентраторов поля (например, ферромагнитного ярма с определенным количеством немагнитных зазоров, в которых размещены измерительные преобразователи) также наталкивается на ряи трудностей, обусловленных возможностью насыщения ферромагнитного ярма - это резкое увеличение массы в зависимости от роста верхней границы динамического диапазона измеряемого тока, вли5шие гистерезиса ферромагнитного материала и др. Увеличение точности измерения за счет точного определения коэффициента пропорциональности между показаниями измерителей и истинным значением измеряемого тока также наталкивается на определенные трудйости. В частности, из-за с ложности профиля токопровода невозможн с достаточной для практики точностью по лучить значение этого коэффициента, а экспериментальное определение значения . этого коэффициента требует проведения проверки, и калибровки всей системы TOKO провод-измеритель, в целом, т. е. требует изготовления специальных конструкций токопроводов (например, монолитных с закрепленными на них измерителями на пряженности поля). При этом калибровка такой системы в одном месте с последующим ее монтажем на рабочем месте со провождается погрешностями, возникаю -г щими из-за наличия вблизи измерителя обратной ветви токопровода, посторонних ферромагнитных масс и т. п. Наиболее близким по тех нической сущности к предлагаемому является способ измерения больших токов, основанный на измерении тангенциальной составляющей напряженности поля ву1 -точках контура последовательно во времени и одновремен но с измерением напряженности магнитного поля в VI+1 точке пространстве, при этом магнитный потенциал, действующий В замкнутом контуре, определяют по -за- меренному значению измеряемой составляющей в первой точке контура и по ее измеренным значени5пл в остальных точках контура с учетом относительного при ращения этих значений за время пере- 5 хода от измерения в первой точке к измеренто к текущей точке которое определяют по приращению измеряемой- величины в Vi+l точке пространства.

Поскольку этим способом предусматривается измерение тангенциальной составляющей напряженности поля в точках, расположенных по контуру Ь последоваизмерения тангенциальной составляющей напряженности поля в v точках, расположенных по контуру 1, , и мультипликативной состэвляющей погрещности измерения, обусловленной воздействием аддитивной составляющей напряженности поля на стационарный измерительный 8 тельно во времени, то удается при минимуме средств (а именно, одним измерителем тангенциальной составляющей напряженности поля) достичь высокой точности измерения, так как количество точек измерений может быть сколь угодно .большим. По количеству точек измерения, а также времени -Ь измерения напряженности поля, определяют время Ту, измерения тока У , т. е. V-Hty,. Указанный способ обеспечивает высокую точность измерения, возмо кность проведения измерений токов неограниченной величины, отсутствие влияний на точность измерений внешних источников стационарных магнитных JIC)лeй (поле . намагничённых. тел, поле земного маг- нетизма и т. п.), а также минимум технических средств и экономических затр необходимых для его реализации, . значительного времени измерения следует указать преимущественную об„ применения известного способа проведение калибровки и поверки измерителей больших токов других систем 2. Однако точность измерения больших токов известным способом ограничена влиянием сторонних нестационарных маг (фоновых, аддитивных сос тавляющих, например, поле тока соседней энергосистемы). Эти поля влияют как на показания перемещаемого вдоль контура измерительного преобразователя, так и на показания стационарного измерительного преобразователя. Действительно, результирующий вектор Я напряженности поля в любой точке пространства определяется вектором h напряженности информационного поля и вектором } .напряженности аддитивного (фонового) поля, т. е. , ti) Наличие нестабильной во времени аддитивной составляющей напряженности поля приводит к погрешности измерения, которая может быть представлена двумя составляющими: аддитивной составляющей погрешности измерения, обусловленной влиянием аддитивной составляющей напряженности поля на результат преобразователь, т. е. на точность измерения информативной составляющей напряженности магнитного поля BVI+l точке измерения. Действительно в i-ой точке измерения наряду с тангенциальной составляю гдей щей н;; -vfi- .. COMSt . g - функция, учитывающая распределение тангенциальной составляющей Нр Н Vg напряженности магнитного поля вдоль контура Ь , V - функция времени учитывающая измерение тока во времени, будет присутствовать, составляющая обусловленная аддитивной составляющей напряженности магнитного поля ,w,. гдеИ , Wg -функция, учитыва ющая распределение аддитивной составляющей напр51женности магнитного поля вдоль контура U , It - функция времени, учитывающая измерение во времени тока, создающего указанную аддитивную составляющу1д напр5Ркенности магнитного поля. При этом сумма вида ,1 VT е .. . Л е i не будет равна нулю из-за присутствия при ее членах множителя , который и определяет аддитивную составляющую погрещности измерения. Поскольку значения напряженности поля в М+1 точке, измеренные в различные моменты времени, вхо дят в выражения для мгновенного значе ния измеряемого тока в качестве множителя, то влияние на результат измерения в этой точке аддитивной составляющей напряженности поля приведет к мультипликативной составляющей погрещ ности измерения. Целью изобретения является минимизация погрещности измерения, обусловленной влиянием внещнего нестационарн го магнитного поля. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу измерения тока, основанному на измерениях Тангенциальной составляющей напряженности маг нитного поля в У - очках замкнутого контура, охватывающего токопровод с измеряемыми током, измерении напряжен ности поля BV1+1 точке пространства, проводимых синхрюнного с измерениями, тангенциальной составляющей напряженности в VI-точках контура, определении значения измеряемого тока суммированием результатов измерения тангенциальной составляющей напряженности маг нитного поля в У -точках контура с учетом относительного изменения напря- женности поля точке пространства за временной интервал между проводимыми измерениями, замкнутому контуру придают форму, имеющую центральную ось симметрии, измерения тангенциальной составляющей нап{)яженноств магнитного поля осушествлякуг одновреMeiHo Б попарно симметричных точках контура, дополнительно измеряют составляюшую напряженности магнитного поля точке пространства, расположенной симметрично относительио оси симметрии ц точки пространства, причем суммирование результатов измерения тангенциальной составляющей иапряженности магнитного поля в Vi -точках контура осуществляют с учетом отйоситедьного измерения усредненного значения напряженностей поля в Vi+1 и И+2 точках пространства. Способ осуществляют следующим образом. Пусть токопровод с измеряемым гоном 1а охвачен контуром L в виде окружности радиуса Z , с расположенными .-на ней V -точками измерения тангенциа.пьной составляющей напряженности магнитного поля. На удалении ft г от токопровода с измеряемым током расположен токопровод с током ;} м, другой энергосистемы, при этом в пределах измерительного контура Ь можно фоновое магнитное поле считать однородным, т. е. его напряженность имеет в один и тот же момент времени постоянное для всех точек этого объема направление и значение. Обозначим две симметрично рабположенные на контуре точки индексами 1 и («. + +) соответственно). Тогда в мо 7. мент измерения-t для информативных составляющих напряженности магнитного поля в этих точках можно записать выражения V и U Н . - н... р «4, ии.4-1 nPfvi/l 4ч w ч vi VP цп(АТ1/ х,, д д результирующей таигеншшльной, составляющей напряженности информативного-и фонового полей с учетом того, что первое относительно измервтельиого контура является циркулярньы а второе - однородным, будут справедливы следующие выражения ,Я uv 4vt|a i) o Uviii4.i)4/ ,,co w+Tt; 79 где cL тл (ol. +1С) - углы между вектором напряженности фонового поля и касатель ными, совпадающими с магнитной осью ( используемых преобразователей, к конту ру, проведенными в точках (1) и ( -+1) соответственно, Для стационарных точек измерения (yi+1) и (И+2) можно записать аналогично -зистему уравнений b(HM)HJ,.Ve(,,-,v,M°X o5cL ) ()V,.Co5 где (-ь ТС ) - углы между вектором напряженности фонового поля и магнитными осями соответствующих измерительных преобразователей. При этом определение мгновенного значения суммартого элементарного магнитного потенциала на двух симметричных участках измерительного контура осуществляется без дополнительной погрешности. возможной ранее из-«а влияния фонового поля (HP,,,),4V5,.,,)Y,

,tVg(,)) , Нг,СУеа- Уе())уайегН(Уе(им)Ур.ги«-,))У / , ..-j)Vt4&eiH5cve(HM)vVe(HfuK.

(«,,Ve(v,,i))

.. Ho(VecH/o v(t,)).tH/a fi ecH/i))ti))L. ,(v,M)-Ve(v,.i))4(H/)

;.,,,..,,be,,,

позволяет определить мгновеавое (для момента времени-t) значение тока в токопроводе с высокой точностью, независимо от присутствия в пределах измерительного контура однородного фонового поля, так как при этом не наблюдается влияние фонового поля на погрешность проводимых измерений.

Таким образом, предлагаемый способ измерения обеспечивает минимальную погрешность, возникающую за счет присутствия однородного фонового поля (например, из-ва магнитного поля земли, из-ва полей, создаваемых токами в соседних энергосистемах, когда().

Способ обеспечивает значительное ослабление влияния неоднородных маггнитных полей на точность измерения больших токов, т. е. в случае расположения токопроводоЕ соседних энергосис тем на удалениях, соизмеримых с размерами измерительного контура, охва

o(e(v(4-))e(mi)ytfl.

тывающего токопрювод с измеряемым током (т. е.р. (10420 )).

На чертеже изображено устройство, реализующее предлагаемый способ.

Устройство содеркит токопровод 1 произвольного профиля, охватывающую токопровод замкнутую, направляющую в

2в форме окружности, по которой передвигается каретка 3 с двумя преобразователями 4 и 5 тангенциальной состав Л5пошей напряженности магнитного поля, установленными на ней таким образом, что оии всегда находятся в диаметральйо противоположных точках измерительного контура (направляющей 2). Каретка

3при своем движении по направляющей 2 на время измерения фиксируется в реперных точках 6, расположенных на равных расстояниях одна относительно другой. Выходы преобразователей 4 и 5 посредством сумматора 7 соединены с в,о. дом преобразователя 8 аналог-число им8а измерение усредненного значения напряженности магнитного поля в (И+1) .и и (и +2) точках не подвержено влиянию фонового поля Чv,.(и..) e(H+a)4i Таким образом, предлагаемый способ измерения больших токов обеспечивает повышенную точность измерения из-за компенсаций влияния фоновых магнитных полей. Действительно, проделав измерений элементарных магнитных потенциалов, действующих вдоль замкну-. того контура, получим ряд значений -иScVe.4Vgtv,|г.л)Ч,, а для усреднения значений поля в (и+1) и (И+2) точках измерения для -{-го момента времени .||Р . р (vifi)(M-i-a)%H) + (M4a) ,,j+Ve(jj)v.. Подсчет суммы вида 996 пульсов, к второму входу преобразователя 8 аналог-число импульсов (вход управ ления коэффициентом передачи преобразователя) подсоединены посредством сумма тора 9 выходы преобразователей 10 и 11, которые стационарно размещены по разные стороны от токопровода 1. На образующей установлен датчик 12 положения каретки 3, синхронизирующий рабочие циклы преобразователя 8 аналогчисло импульсов. К выходу преобразователя 8 аналог-число импульсов подключен счетчик 13 импульсов, поступающих за время измерения напряженности поля во всех точках измерительного конту ра. К выходу счетчика 13 импульсов подключен регистрирующий прибор Г4, К выходу сумматора 9 подсоединен анало го-цифровой преобразователь 15. В исходный момент нахождении каретки 3 в положении, совпадающем с одной из реперных точек 6, осуществляете измерение тангенциальной составляющей напряженности магнит- 2S кого поля в этих точках и вьтисление результирующего магнитного потенциала, действующего на двух симметрично расположенных участках измерительного контура. Для этого выходные сигналы с преобразователей 4 и 5 через сумматор 7 подаются на ход преобразователя 8 ана лог-число импульсов. Одновременно с указанными измерениями посредством преобразователей 1О и 11 измеряется напряженность поля в двух стационарных h +1 и М+2 точках, расположенных по обе стороны от токопровода 1. Выход ные сигналы преобразователей 1О и 11 посредством сумматора 9 подаются на вход аналого-цифрового преобразователя 15 и вход управления коэффициентом передачи преобразователя 8. Измерения во всех ранее указанных точках производится одновременно. Это достигается за счет синхронизации преобразователя 8 .аналог-число импульсов от датчика 12 положения каретки 3. В некоторый исходный момент времени под действием результирующего выходного сигнала сум матора 9 коэффициент передачи преобразователя 8 аналог-число импульсов принимает свое к оминапьное значение К . Кроме этого, в этот момент фиксируется показание аналог-цифрового преобразователя 15. Приэтом можно записать вь1- ражение для мгновенного значения выАходного напряжения сумматоре, соответствующее моменту Ъ1 ..о(и.о, Количество || импульсов, поступив- щих с выхода преобразователя 8 аналогчисло импульсов на счетчик 13 в исходный момент времени -t/t «.,,.V,(,)V,,. к моменту проведения второй группы измерений каретка 3 перемещается по направляющей 2 до совпадения со следующей реперной точкой. В этом положении производится очередное измерение тангбнцигшьной составляющей напряженности магнитного поля в двух соответствующих точках измерительного кон.тура и соответствующих двух стационарных точках измерений. При этом под воэдействием выходного сигнала сумматора 9 коэффициент передачи преобразователя 8 аналог-число импульсов принимает зна- чение, устанавливаемое с учетом отно- сительного измерения уровня выгодного сигнала сумматора 9, т. е. ., V )()Н. Ч, («..)Ve(,,,,)) Vj. ta . Таким образом, в момент времени Ь/1.на вход счетчика 13 поступает количество импульсов fc(vi/a + y -ba2. Для суммарного количества импульсов, зарегистрированного счетчиком 13 за время обхода каретки: половины периметра направляющей 3 (т. е. за и . циклов измерений), можно записать вырвжение . ,.(XV«.V, Умножив и разделив полученное выражение на Е (расстояние между соседними точками измерения, расположенными на измерительном контуре, получим .4.Ae-||o,,:;,. где L - периметр контура. Следовательно, суммарное количество импульсов счетчика 13, зафиксированное регистрирующим прибором 14, является 119 величиной однозначно определяющей (при известном значении к С ) значение измеримого тока D в момент времени t. Точность измерения тока при этом определяется точностью установки значений Кр и Ь и в незначительной степени зависит от наличия токопроводов соседних энергосистем. Исходя из показаний регистрирующего прибора 14, могут быть использовг.иы для корректировки коэффициента передачи аналого-цифровой преобразователь 15. В дальнейшем, при проведении проверки системы первичные преобр зователи 10 и 11-сумматор Э-аналого Цнфровой преобразователь 15 могут быт использованы в качестве стационарного измерительного средства больших токов, в то время как остальная часть рассмат риваемого измерительного комплекса может быть использована для проверки на месте, в рабочих условиях эксплуатации других аналогичных измерительных средств больших токов. Формула изобретения Спбсоб измерения тока, основанный на измерениях тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля в 1 точках замкнутого контура, охватывающего токопровод с измеряемым током, измерении напряженности поля в И точке пространства, проводимых си хронно с измерениями тангенциальной составляющей напряженности в И точках контура, определении значения измеряе8мого тока сумми{кшанием результатов измерения тангенциальной составляющей напряженности, магнитного поля в h точках контура с учетом относительного изменения напряженности шгнитного поля точке пространства за временной интервал-между проводимыми измерениями, отличающийся тем, что с. целью минимизации погрешности измерения, обусловленной влиянием внешнего магнитного поля, замкнутому контуру придают форму, имеющую центральную ось симметрии, измерения тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля осуществляют одновременно в попарно симметричных точках контура, дополнительно измеряют составляющую напряженности магнитного поля в И+2 точке пространства, расположенной симметрично относительно оси симметрии -Ц) точки простр)анства, причем суммирование результатов измерения тангенциальной составляющей напряженности магнитно1х поля в и точках контура осуществляют с учетом относительного изменения усредненного значения напряженностей поля в и точках пространства. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 474753, кл. GO1R 19/ОО, 1973. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2976735/18-21, кл. GO1R 19/00, 03.09.80.