Измерительный преобразователь постоянного тока

 

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий магнитный компаратор с магнитным экраном , двумя магнитопроводами, двумя последовательно включенными обмотками возбуждения, измерительной обмоткой , подключенной к входным клеммам преобразователя, и компенсационной обмоткой, генератор возбуждения с выходами основной и удвоенной частот, первый датчик насыщения магнитопроводов , фазовый детектор, управляющий вход которого соединен с выходом удвоенной частоты генератора возбуждения , усилитель постоянного тока, к выходу которого последовательно подключены компенсационная обмотка магнитного компаратора и эталонный резистор , соединенный вьтодами с выходными клеммами преобразователя, о тлнчающийся тем, что, с целью Повьтения надежности, в него введены коммутатор с восьмью ключа ми , блок управления, источник питания постоянного тока, импульсный генератор , формирователь импульсов, второй датчик насвдения магнитопроводов, два выпрямителя, два фильтра и два сумматора аналоговых сигналов, причем первый и второй выходные выводы основной частоты генератора возбуждения соединены с необъединенными выводами обмоток возбуждения магнитного компаратора соответственно через последовательно включенные первый датчик насыщения магнитопровдцов, первый ключ коммутатора и через второй ключ коммутатора, первый и второй полюса источника питания постоянного тока соответственно через последовательно включенные формирователь импуль (Л сов, второй датчик насыщения магнитопроводов , третий ключ коммутатора и через четвертый ключ коммутатора, а входные потенциальные выводы первого и второго вьшрямителей - соответственно через пятый и через шестой ключи коммутатора, выходные, потенциальные выводы выпрямителей подел ключены к входным потенциальным выо сд водам соответствующих фильтров, общий вывод обмоток возбуждения магОд нитного компаратора через седьмой О) ключ коммутатора соединен с шиной нулевого потенциала выпрямителей и фильтров, а через восьмой ключ коммутатора - с соответствующим выводом сигнального входа фазового детектора, выход импульсного генератора подключен к управляющему входу формирователя импульсов, входы блока управления соединены с выходами датчиков насьлцения магнитопроводов , а выход - с управляющим входом коммутатора, входы первого сум

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„5U„„1150566

1Ш С 01 К 19/20

OllH0AHNE ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОЮ У СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3526601/24-21 (22) 17. 12. 82 (46) 15.04.85. Бюл. й" 14 (72) В.В. Калиниченко (71) Объединенный институт ядерных исследований (53) 621.317.7(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 737850, кл. С 01 К 19/20, 1977.

2. Mac Martin М.P. and Kusters U.L.

А self — Balancing Direct Current

Comparator for 20000 Ашрегез - IREE

Transactions оп Magnetics, 1965, vol. Mag.-1, В 4, р. 396-402. (54) (57) ИЗИЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий магнитный компаратор с магнитным экраном, двумя магнитопроводами, двумя последовательно включенными обмотками возбуждения, измерительной обмоткой, подключенной к входным клеммам преобразователя, и компенсационной обмоткой, генератор возбуждения с выходами основной и удвоенной частот, первый датчик насыщения магнитопро водов, фазовый детектор, управляющий вход которого соединен с выходом удвоенной частоты генератора возбуждения, усилитель постоянного тока, к выходу которого последовательно подключены компенсационная обмотка магнитного компаратора и эталоннвй резистор, соединенный выводами с выходными клеммами преобразователя, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повьппения надежности, в него введены коммутатор с восьмью ключами, блок управления, источник питания постоянного тока, импульсный генератор, формирователь импульсов, второй датчик насьпцения магнитопроводов, два выпрямителя, два фильтра и два сумматора аналоговых сигналов, причем первый и второй выходные выводы основной частоты генератора возбуждения соединены с необъединенными выводами обмоток возбуждения магнитного компаратора соответственно через последовательно включенные первый датчик насьпцения магнитопроводов, первый ключ коммутатора и через второй ключ коммутатора, первый и второй полюса источника питания постоянного тока— соответственно через последователь- Я но включенные формирователь импульсов, второй датчик насыщения магнитопроводов, третий ключ коммутатора и через четвертый ключ коммутатора, а входные потенциальные выводы первого и второго выпрямителей — соответственно через пятый и через шестой ключи коммутатора, выходные потенциальные выводы выпрямителей подключены к входным потенциальным выводам соответствующих фильтров, общий вывод обмоток возбуждения магнитного компаратора через седьмой ключ коммутатора соединен с шиной нулевого потенциала выпрямителей и фильтров, а через восьмой ключ коьыутатора — с соответствующим выводом сигнального входа фазового детектора, выход импульсного генератора подключен к управляющему входу формирователя импульсов, входы блока управления соединены с выходами датчиков насьпцения магнитопроводов, а выход — с управляющим входом коммутатора, входы первого сум1150566 матора аналоговых сигналов подключены к выходам филгров, входы второго сумматора аналоговых сигналов соединены с выходами первого сум3

Изобретение относится к электроизмерительной технике и предназначено для использования при измерениях постоянных токов большой величины.

Известен измерительный преобразователь постоянного тока, содержащий магнитный компарашор с магнитным экраном, двумя основными магнитопроводами двумя последовательно вклюЭ

t0 ченными обмотками возбуждения, измерительной обмоткой, подключенной к входным клеммам устройства, компенсационной обмоткой, дополнительным магнитопроводом и короткозамкнутой обмоткой, охватывающей дополнительный магнитопровод и магнитопроводы с обмотками возбуждения, генератор возбуждения, демодулятор, усилитель. постоянного тока, инверсный вход которого через демодулятор и обмотки возбуждения соединен с выходами генератора возбуждения, выход через, компенсационную обмотку и эталонный резистор, соединенный выводами с выходными клеммами устройства, а также через два последовательно включенных RC-звена подключен к шине нулевого потенциала устройства, а прямой вход включен между упомянутыми RC-звеньями (1), 30

Недостаток известного устройства связан с низкой надежностью работы в автоматическом режиме, обусловленной наличием "ложных нулей" на ста- . тической характеристике компаратора. 35

Рабочая точка контура отрицательной обратной связи (включающего элемент с подобной статической характеристикой) практически равнове-роятно может находиться в окрест- 40 ностях "истинного нуля" и "ложных нчлей".

Наиболее близким техническим решением к изобретению является измерительный преобразователь постоянного тока, содержащий магнитный компаратоу с магнитным экраном, двумя магнитоматора аналоговых, сигналов и фазового детектора, а выход — с входом усилителя постоянного тока. проводами, двумя последовательно включенными обмотками возбуждения, измерительной обмоткой, подключенной к входным клеммам устройства, и компенсационной обмоткой, генератор возбуждения с выходом основной частоты, включенным в контур связи с обмотками возбуждения магнитного компаратора, и выходом удвоенной частоты, подкгпоченным к компенсационной обмотке через фазовый детектор, усилитель постоянного тока и эталонный резистор, выводы которого соединены с выходными клеммами устройства, датчик насыщения магнитопроводов, выход которого подключен к входу блока сигнализа» ц P).

Недостаток указанного устройства заключается в низкой надежности работы в автоматическом режиме. При быстром изменении измеряемого тока и значительном возрастании величины динамического рассогласования в контуре обратной связи возможен опять же переход рабочей точки контура отрицательной обратной связи из рабочей зоны в зоны "ложных нулей". В этом случае срабатывает блок сигнализации насыщения магнитопроводов, информирующий оператора о нарушении нормального режима работы устройства.

Средств для автоматического ввода магнитного компаратора в рабочую зону известное устройство не содержит, эту задачу выполняет оператор.

Цель изобретения — повышение надежности работы в автоматическом режиме.

Ноставленная цель достигается тем, что в измерительный преобразователь постоянного тока, содержащий магнитный компаратор с магнитным экраном, двумя магнитопроводами, двумя последовательно включенными обмотками возбуждения, измерительной обмоткой, подключенной к входным клеммам преобразователя, и компенсационной

1150566 обмоткой, генератор возбуждения с выходами основной и удвоенной частот, первый датчик насыщения магнитопроводов, фазовый детектор, управляющий вход которого соединен с выходом удвоенной частоты генератора возбуждения, усилитель постоянного тока, к выходу которого последовательно подключены компенсационная обмотка магнитного компаратора и эталонный ре- 10 зистор, соединенный выводами с выходными клеммами преобразователя, введе ны коммутатор с восьмью ключами, блок управления, источник питания постоянного тока, импульсный генератор, 15 формирователь импульсов, второй датчик насыщения магнйтопроводов, два выпрямителя, два филвтра и два сумматора аналоговых сигналов, причем первый и второй выходные выводы ос- 20 новной частоты генератора возбужпения соединены с необъединенными выводами обмоток возбуждения магнитного компаратора соответственно через последовательно включенные первый 25 датчик насыщения магнитопроводов, первый ключ коммутатора и через второй ключ коммутатора, первый и второй полюса источника питания постоянного тока — соответственно через З0 последовательно включенные формирователь импульсов, второй датчик насыщения магнитопроводов, третий ключ коммутатора и через четвертый ключ коммутатора, а входные потенциальные

35 выводы первого и второго выпрямителей — соответственно через пятый и через шестой ключи коммутатора, выходные потенциальные выводы выпрямителей подключены к входиым потенци- 40 альным выводам соответствующих фильтров, общий вывод обмоток возбуждения магнитного компаратора через седьмой ключ коммутатора соединен с шиной нулевого потенциала выпря- 4 мителей и фильтров, а через восьмой ключ коммутатора - с соответствующим выводом сигнального входа фазового детектора, выход импульсного генератора подключен к управляющему входу формирователя импульсов, входы блока управления соединены с выходами датчиков насыщения магнитопроводов, а выход — с управляющим входом коммутатора, входы первого сумматора аналоговых сигналов подключены к выходам фильтров, входы второго сумматора аналоговых сигналов соединены с выходами первого сумматора аналоговых сигналов и фазового детектора, а выход — с входом усилителя постоянного тока.

На фиг. 1 представлена функциональная схема измерительного преобразователя постоянного тока; на фиг. 2 — статические характеристики магнитного компаратора. .Предложенный преобразователь характеризуется гибкой структурой, которая изменяется в зависимости от режима его работы. В рабочем режиме измерительный преобразователь имеет структуру I, а в режиме ввода— структуру II, причем указанные структуры существенно отличаются одна от другой, Структура I обеспечивает детектирование разбаланса компарируемых токов с помощью магнитного модулятора, действующего по принципу удвоения частоты. Магнитный компаратор с таким детектором разбаланса обладает самыми высокими метрологическими õàрактеристиками, что является определяющим для рабочего режима. Статическая характеристика компаратора в структуре I имеет "ложные нули" (кривая М, фиг. 2), этот недостаток для предложенного устройства не имеет существенного значения.

Структура II обеспечивает детектирование разбаланса компарируемых токов при котором статическая характеристика компаратора не имеет

"ложных нулей" (кривая N, фиг. 2), это свойство является определяющим для режима ввода. Невысокие метрологические характеристики компаратора в структуре II не имеют в данном случае существенного значения.

Переход от одной структуры устройства к другой осуществляется с по1 мощью коммутатора, который по командам блока управления включает в действие присущую данной структуре совокупность элементов и связей. Блок управления вырабатывает команды в соответствии с информацией, поступающей в него от датчиков насыщения магнитопроводов.

Таким образом, структура Х обладает высокими метрологическими характеристиками, а для структуры II свойственна абсолютная надежность. в смысле ввода в "свою" рабочую зону.

1150566

Основу магнитного компаратора 1 (фиг. 1) составляют магнитопроводы

2 и 3, последовательно включенные обмотки 4 и 5 возбуждения, магнитный экран 6, компенсационная 7 и 5 измерительная 8 обмотки. Иагнитопроводы 2 и 3 с обмотками 4 и 5 возбуждения помещены в магнитный экран 6» поверх которого размещены компенсационная 7 и измерительная 8 обмотки, Выводы последней подключены к входным клеммам 9 и 10 устройства.

Генератор 11 возбуждения имеет выход основной частоты (выходные выводы 12 и 13) и выход удвоенной частоты. Генератор 11, датчик 14 насыщения магнитонроводов и фазовый детектор 15 используются только в структуре I. Управляющий вход фазового детектора 15 соединен с выходом удвоенной частоты генератора 11.

Усилитель 16 постоянного тока (УПТ) рассчитан на полный ток компенсации, к его выходу подключены последовательно компенсационная ббмотка 7 и эталонный резистор 17, выводы которого соединены с выхоцными клеммами

18 и t9 устройства. Элементы 16 и 17 являются общими для обеих структур измерительного преобразователя, ЗО

Оперативное изменение структуры преобразователя осуществляется с помощью кощиутатора 20. В его состав входят ключи 21 — 28. Управляющий вход коммутатора 20 подключен к вы- З ходу блока 29 управления.

В структуре II на обмотки 4 и 5 возбуждения необходимо подавать однополярные импульсы тока. Формирование этих импульсов осуществляется 40 с помощью формирователя 30 импульсов, управляющий вход которого соединен с выходом импульсного генератора - t. К выходу источника 32 питания постоянного тока последовательно 4$ подключены формирователь 30 импульсов, датчик 33 насыщения,магнитопроводов, ключ 22, обмотки 3 и 4 возбуждения и ключ 24.

K выходу генератора 11 воэбужде- ъО ния последовательно подключены датчик

14 насыщения магнитопроводов, .ключ 21, обмотки 4 и 5 возбуждения и ключ 26, Кроме того, необъединенные выводы обмоток 4 и 5 возбуждения чррез клю- 5S чи 23 и 25 соединены с входными потенциальныки выводами выпрямителей

34 и 35, Выходы последних через фильтры 36 и 37 связан . с входами сумматора 38 аналоговых сигналов.

Упомянутые элементы 30 — 38 входят в структуру II.

Общий вывод обмоток 4 и 5 возбуждения через ключ 27 соединен с шиной нулевого потенциала выпрямителей

34 и 35 и фильтров 36 и 37, а через ключ 28 — с соответствующим выводом сигнального входа фазового детекто ра 15.

Выход сумматора 38 аналоговых сигналов. подключен к одному из входов сумматора 39 аналоговых сигналов, с другим его входом соединен выход фазового детектора 15. Выход сумматора 39 аналоговых сигналов соединен с входом УПТ 16. Сумматор

39 аналоговых сигналов является общим элементом структур Х и IT.

Выходы датчиков 14 и 33 насыщения магнитопроводов соединены с входами блока 29 управления.

На фиг. 2 показаны статические характеристики магнитного компаратора 1 в рабочем режиме (кривая М), т.е, в режиме, который обеспечивается структурой I, и в режиме ввода (кривая Я), т.е, в режиме, который обеспечивается структурой II.

Под статической .характеристикой компаратора понимается зависимость напряжения U

Устройство работает следующим образом.

Как уже отмечалось, в рабочем режиме измерительный преобразователь имеет структуру I. В структуре I на обмотки 4 и 5 через замкнутые ключи

21 и 26 поступает напряжение возбуждения с выхода генератора 11. В рабочем режиме намагничивающая сила

I„W„, действующая на магиитопроводы о

2 и 3, уравновешивается намагничивающей. силой J<,Ы„, где 3 д — постоянная составляющая измеряемого тока; 1

Э ((д постоянный так компенсации. на выходе УПТ 16; W — количество витков измерительной обмотки 8; WÄ - коли1150566 честно витков компенсационной обмотки 7, Режим равновесия магнитного компаратора 1 поддерживается.с помощью контура отрицательной обратной связи; 5

При нарушении равновесия в соответствии со статической характеристикой компаратора (кривая И, фиг. 2) на выходе фазового детектора 15 появляется управляющее напряжение, которое поступает на один из входов сумматора 39. На другой вход сумматора 39 сигнал в это время не подается, так как в .структуре 3 ключи 22-25 и 27 разомкнуты и выпрямители 34 и 35 полностью обесточены. Поэтому на выходе сумматора 39 воспроизводится

; выходное напряжение фазового детекс тора 15, которое и поступает на вход

УПТ 16. Под действием. этого нанряжения ток Ig в обмотке 7 изменяется и, если /.83M/ / d З,иИ/, режим равновесия восстанавливается (здесь d IM— разбаланс ампер-витков обмоток 7 и 8, значение л З,иУ укааано на фиг. 2};

Таким образом, благодаря указанному действию контура отрицательной обратной связи, ток )к строго "следит" эа измеряемым током ) „, и является его мерой. Связь между этими токами 10 описывается соотношением и1 и к1 к (1) ир и к к

Как уже отмечалось выше, 1„и l

"о постоянные или медленно меняющиеся величины, жесткая связь между которыми обеспечивается действием контура отрицательной обратной связи. Что же касается переменной составляющей измеряемого тока, то она из измери- 4О телЬной обмотки 8 трансформируется в компенсационную обмотку 7, так как благодаря наличию массивного магнитного экрана 6 между обмотками 7 и 8 существует прямая магнитная связь 45 и при малом суммарном сопротивлении К в цепи обмотки 7 элементы

6, 7 и 8,работают как трансформатор переменного тока (здесь Rg = R + R +

+ R„, где R — сопротивление эта- 50 лонного резистора 17; R; - выходное сопротивление УПТ 16; R — активное сопротивление обмотки 7).

В соответствии с изложенным

ll-Р." 11- Wê (2) Ss где ю„и 3„ - мгновенные значения переменной составляющей измеряемого и компенсирующего токов соответственно, а с учетом соотношения (1).

)ê i к= (l„ + i „)Wи/ к (3), iк 1ИWN WKi где i = l„+ к3 i = l„+ i и °

Соотношение (3) показывает, что мгновенное значение тока в цепи обмотки 7 является мерой мгновенного значения измеряемого тока в обмотке 8 с точностью до погрешностей следящего контура отрицательной обратной связи и трансформатора. переменного тока, С помощью эталонного резистора .17 ток i преобразуется в напряжение, которое и поступает.:на выходные клеммы 18 и 19 устройства, Благодаря использованию в структуре I в качестве детектора разбаланса компарируе емых ампер-витков магнитного модулятора с удвоением частоты достигается высокая точность преобразования 3 и ио в 1к

О

Рассмотрим, каким образом в процессе работы преобразователя обеспечивается реализация структуры I.

Выходной сигнал датчика насыщения магнитопроводов имеет низкий уровень, если значение тока в измерительной цепи датчика ниже определенного порогового значения, в противном случае выходной сигнал датчика имеет высокий уровень. Оба датчика 34 и 33 устройства отвечают этим условиям.

В рабочем режиме магнитопроводы

2 и 3 полностью размагничены, индуктивность обмоток 4 и 5 велика, и ток в измерительной цепи датчика 14 мал. Ток в измерительной цепи дат-" чика 33 в рабочем режиме равен нулю (ключи 22 и 24 разомкнуты). Поэтому в рабочем режиме на оба входа блока

29 управления поступают сигналы низкого уровня. При этом в блоке 29 управления вырабатываются команды, обеспечивающие замкнутое состояние ключей 21, 26 и 28,и разомкнутое состояние остальных ключей коммутатора 20.

Нарушение рабочего режима приводит к насыщению магннтопроводов 2 и 3, ток в цепи обмоток 4 и 5 (и со-. ответственно в измерительной цепи датчика 14) резко увеличивается и

1150566

10 на выходе датчика 14 появляется сигнал высокого уровня. При подаче на один из входов блока 29 управления сигнала высокого уровня в последнем вырабатываются команды, обеспечивающие замкнутое состояние ключей 22-25 и 27 и разомкнутое состояние ключей

21, 26 и 28. Такое состояние ключей коммутатора 20 соответствует режиму автоматического ввода компаратора 1 10 в рабочую зону. Измерительный преобразователь в этом режиме имеет структуру II. После перехода устройства в режим ввода ток в измерительной цепи датчика 14 становится рав- 1S ным нулю, чему соответствует низкий уровень сигнала на его выходе и на соответствующем входе блока 29 управления. Однако на другом входе блока 29 в тот же момент появляется 2О сигнал высокого уровня; так как в измерительной цепи датчика 33 протекает относительно большой ток обмоток

4 и 5 (больше порогового значения), обусловленный насыщением магнитопро- 25 водов 2 и 3 вследствие большого раз-. баланса ампер-витков обмоток 7 и 8.

Так как на одном из входов блока 29 управления есть сигнал высокого уровня, укаэанный блок продолжает вырабатывать команды, обеспечивающие сохранение структуры II.

В режиме ввода к обмоткам 4 и 5 возбуждения подводятся однополярные импульсы тока. Указанные импульсы создаются формирователем 30 импульса из постоянного напряжения, подаваемого от источника 32 питания постоянного тока. Формирователь 30 импульсов управляется импульсным генера- 40 тором 31.

Детектирование разбаланса ампервитков обмоток 7 и 8 осуществляется в структуре ХХ путем выпрямления напряжения,. образующегося на обмотках

4 и 5 при возбуждении их однополярными импульсами. Указанное выпрямление осуществляется с помощью выпрямителей 34 и 35,, Фильтрация выпрямленных напряжений произвоцится фильтра- о ми 36 и 37. Полученные на выходах фильтров 36 и 37.постоянные напряжения поступают на входы сумматора 38, выходное напряжение которого является их разностью, При таком детектировании разбаланса статическая ха рактеристика не имеет ложных нулей (кривая И, фиг„ 2)..

В момент перехода измерительного преобразователя в режим ввода разбаланса ампер-витков обмоток 7 и 8 велик. В соответствии со статической характеристикой компаратора (кривая N фиг. 2) на выходе сумматора

38 появляется напряжение; которое поступает на один из входов сумматора 39. На другой вход сумматора 39 сигнал не поступает, так как в структуре II ключи 21, 26 и 28 разомкнуты и к управляющему входу фазового детектора 15 напряжение удвоенной частоты не подводится. Поэтому на выходе сумматора 39 воспроизводится выходное напряжение сумматора 38, которое и поступает на вход УПТ 16.

Под действием этого напряжения ток 1< в обмотке 7 изменяется до о тех пор, пока разбаланс ампер-витков обмоток 7 и 8 не уменьшится до малого значения (до величины действующего рассогласования контура отрицательной обратной связи), В установившемся режиме связь между компарируемыми токами описывается соотношением (1), Таким образом, условия для перехода от режима ввода в рабочий режим подготовлены: разбаланс ампер-витков обмоток 7 и 8 мал, соблюдаются с запасом условия ввода в рабочую зону компаратора 1, имеющего статическую характеристику с

"ложными нулями" (кривая М, фиг, 2).

Как только структура II приходит в равновесное состояние, ток в измерительной цепи датчика 33 уменьшается ниже порогового значения. Происходит изменение сигнала на выходе датчика 33: высокий уровень сменяется. низким. Теперь на входы блока

29 управления поступают сигналы низ« кого уровня. В блоке 29 вырабатываются команды, обеспечивающие переход ключей 21, 26 и 28 в замкнутое состояние, а остальных ключей коммутатора 20 — в разомкнутое, Структура ХХ смеяяется структурой Х, устройство включается в рабочий режим.

Таким образом, в предложенном устройстве с высокой точностью и надежностью осуществляется ввод компаратора в рабочую зону, а также гарантируется надежная работа измерительного преобразователя в автоматическом режиме, 1150566

Фиг.!

Ф и .2

ВЯИЩЩ Заказ 2136/34 Тираж 748 По диснее

Филиал ППП "йатеат, г.Ужгород, ул.Проектная, 4