Измерительный преобразователь постоянного тока

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

Л0„, 125330

А1 (Я) 4 G 01 R 19/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСКОМ .Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3780507/24-21 (22) 09. 08. 84 (46) 15.03.87. Бюл. Р 10 (71) Объединенный институт ядерных исследований (72) В.В.Калиниченко (53) 621.317.7(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 737850, кл. С OT R 19/20, 1977.

Авторское свидетельство СССР

1150566, кл. G 01 R 19/20, 1982. (54) (57) 1. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий магнитный компаратор с магнитным экраном, двумя магнитопроводами,двумя последовательно включенными обмотками возбуждения, намотанными по одной на каждый магнитопровод, измерительной обмоткой, подключенный к входным клеммам преобразователя, и компенсационной обмоткой, источник питания постоянного тока, два датчика насыщения магнитопроводов, усилитель постоянного тока, к выходу которого последовательно подключены компенсационная обмотка магнитного.компаратора и эталонный резистор, соединенный выводами с выходными клеммами преобразователя, коммутатор с семью ключами, блок управления, входы которого соединены с выходами датчиков насьпцения магнитопроводов, а выход — с управляющим входом коммутатора, демодулятор, генератор возбуждения, первый выходной зажим основной частоты которого соединен с первым необъединенным выводом обмоток возбуждения магнитного компаратора через последовательно включенные первый датчик насыщения магнитопроводов и первый ключ коммутатора, фазовый детектор, управляющий вход которого подключен к выходу удвоенной частоты генератора возбуждения, а первый вывод сигнального входа через второй ключ коммутатора — к объединенному выводу обмоток возбуждения магнитного компаратора, сумматор аналоговых сигналов, первый вход которого соединен с выходом фазового детектора, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью повьппения надежности работы, в него введены потенциометр, последовательный LC-контур и силовой электрический вентиль, а магнитный компаратор снабжен двумя последовательно вклю- а ченными сигнальными обмотками и двумя последовательно включенными рабочими обмотками, намотанными по одной яа каждый магнитопровод,причем потен- С риометр включен между выходными выводами основной частоты генератора возбуждения, второй выходной зажим основной частоты генератора возбуждения. соединен непосредственно с вторым необъединенным выводом обмоток возбуждения магнитного компаратора, а через последовательно включенные СФ третий ключ коммутатора и LC-контур— с первым выходным зажимом основной (, частоты, один из необъединенных выводов рабочих, обмоток магнитного компаратора соединен с первым вход" ным выводом генератора возбуждения, а другой через последовательно включенные четвертый ключ и второй датчик насыщения магнитопроводов — с первым полюсом источника питания постоянного тока, второй полюс которого через включенный в прямом направлении силовой электрический вен1253306 тиль соединен с вторым входным выводом генератора возбуждения, пятый ключ коммутатора, включен между первым полюсом источника питания постоянного тоМа и первым входным выводом генератора возбуждения, подвижный контакт потенциометра соединен с вторым выводом сигнального входа фазового детектора, выход демодулятора соединен с вторым входом сумматора аналоговых сигналов, первый и второй входные выводы демодулятора через шестой и седьмой ключи коммутатора соединены с необъединенными выводами сигнальных обмоток магнитного компаратора, объединенный вывод которых подключен к третьему входному выводу демодулятора.

2. Преобразователь по п.1, о т — . л и ч а ю шийся тем, что генератор возбуждения содержит задающий генератор основной и удвоенной частот, выход удвоенной частоты которого является одноименным выходом генератора возбуждения, и усилитель мощности, выполненный в виде моста на транзисторах, коллектор-эмиттерные переходы которых зашунтированы

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

Целью изобретения является повышение надежности работы преобразователя в автоматическом режиме.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства. f0

Основу магнитного компаратора i составляют магнитопроводы 2 и 3, обмотки 4 и 5 возбуждения, сигнальные обмотки 6 и ?, рабочие обмотки 8 и 9, магнитный экран 10, компенсационная

11 и измерительная 12 обмотки.Иагнитопроводы 2 и 3 с обмотками 4 и 5 возбуждения, сигнальными 6 и 7 и рабочими 8 и 9 обмотками помещены в магнитный экран 10, поверх которого размещены компенсационная 11 и изобратно включенными диодами, базовые цепи подключены к соответствующим выходам основной частоты задающего генератора, объединенный вывод эмиттеров и объединенный вывод коллекторов являются соответственно первым и вторым входными выводами, а два объединенных вывода эмиттеров с коллекторами — первым и вторым выходными выводами генератора возбуждения.

3. Преобразователь по п.1, о т— л и ч а ю шийся тем, что демощулятор содержит четыре конденсато ра, включенных последовательно между выходными выводами демодулятора и попарно зашунтированных резисторами, первый и второй диоды, соединенные анодами с крайними в цепи обкладками первого и четвертого конденсаторов, другие обкладки которых подключены к первому и второму входным выводам демодулятора, и третий диод, анод которого соединен с катодами первого и второго диодов и с третьим входным выводом демодулятора, а катод — с объединенными обкладками второго и третьего конденсаторов.

2 мерительная 12 . обмотки. Выводы по следней подключены к входным клеммам

13 и 14 преобразователя.

Генератор 15 возбуждения содержит задающий генератор 16 основной и удвоенной частот и усилитель мощности, выполненный в виде моста на транзисторах 17-20, коллектор-эмиттерные переходы которых зашунтированы обратно включенными диодами 21-24. Базовые цепи транзисторов 17-20 подключены к соответствующим выходам основной частоты задающего генератора 16. Выход удвоенной частоты задающего генератора 16 является одноименным выходом генератора 15 возбуждения. Выходные выводы усилителя мощности (транзисторного моста) являются выходными выводами 25, 26 генератора 15 возбуждения и выводами потенциометра 27.

1253306

Усилитель 28 постоянного тока (УПТ) рассчитан на полный ток компенсации, к его выходу подключены последовательно компенсационная обмотка

11 и эталонный резистор 29. Сигнальные выводы эталонного резистора 29 лодключены к выходным клеммам 30 и

91 преобразователя.

Оперативное изменение структуры f p преобразователя осуществляется с по— мощью коммутатора 32, в который входят ключи 33-39. Коммутатор 32 управляет сигналами, поступающими от блока 40 управления, сигнальные вы- 15 ходы которого подключены к выходам датчиков 41 и 42 насыщения магнитопроводов.

В состав преобразователя входят также сумматор 43 аналоговых сигна- 20 лов, фазовый детектор 44, последовательный LC-контур 45, источник 46 питания постоянного тока, силовой электрический вентиль 47 и демодуля— тор, включающий в себя диоды 48-50, конденсаторы 51-54 и резисторы 55, 56. Конденсаторы 51-54 демодулятора соединены последовательно, при. этом крайняя в цепи обкладка конденсатора

51 подключена к первому выходному 30 выводу демодулятора. К этому.же выводу демодулятора подключены анод диода 48 и необъединенный вывод резистора 55. Крайняя в цепи обкладка конденсатора 54 подключена ко второму выходному выводу демодулятора.

К этому же выводу демодулятора под— ключены анод диода 50 и необъединенный вывод резистора 56.

1 40

Соединенные обкладки конденсаторов 51 и 52 подключены к первому входному выводу демодулятора, а соединенные обкладки конденсаторов 53 и 54 — к его второму входному выводу. Катоды диодов 48 и 50 и анод диода 49 подключены к третьему входному выводу демодулятора. Катод диода 49 соединен с объединенным вьводом резисторов 55 и 56, а также с соединенными обкладками конденсаторов 52 и 53.

Обмотки 4 и 5 возбуждения, сигнальные 6 и 7 и рабочие 8 и 9 обмот- . ки магнитного компаратора 1 намотаны соответственно по одной на каждый магнитопровод 2 и 3. В каждой из указанных пар обмотки включены последовательно.

Выходной вывод 25 основной частоты генератора 15 возбуждения соединен с необъединенным выводом обмотки

4 возбуждения через последовательно включенные датчик 41 насьпцения магнитопроводов и ключ 34 коммутатора 32. Выходной вывод 26 основной частоты генератора 15 возбуждения соединен непосредственно с необъединенным выводом обмотки 5 возбуждения, а через последовательно включенные ключи 35 коммутатора 32 и LCконтур 45 — с выходным выводом 25.

Объединенный вывод обмоток 4 и 5 возбуждения через ключ 37 коммутатора 32 соединен с соответствующими . выводами сигнального входа фазового детектора 44. Другой вывод сигнального входа фазового детектора 44 соединен с подвижным контактом потенциометра 27.

Управляющий вход фазового детектора 44 подключен к выходу удвоенной частоты генератора 15 возбуждения. Выход фазового детектора 44 подключен к первому входу сумматора 43 аналоговых сигналов, второй вход которого соединен с выходом демодулятора. Выход сумматора 43 подключен к входу УПТ 28.

Необъединенный вывод рабочей обмотки 9 соединен с первым входным выводом генератора 15 возбуждения (с эмиттерной шиной транзисторного моста), а необъединенный вывод рабочей обмотки 8 через последовательно включенные ключ 33 коммутатора 32 и датчик 42 насыщения магнитопроводов— с соответствующим полюсом источника

46 питания постоянного тока. С этим же полюсом источника 46 через ключ

36 коммутатора 32 соединена эмиттерная шина транзисторного моста. Коллекторная шина этого моста, являющаяся вторым входным вьводом генератора 15 возбуждения, через включенный в прямом направлении силовой электрический вентиль 47 соединена с другим полюсом источника 46.

Первый и второй входные выводы демодулятора через ключи 38 и 39 коммутатора 32 соединены соответственно с необъединенными вьводами сигнальных обмоток 6 и 7. Объединенньп вьвод обмоток 6 и 7 соединен с третьим входным выводом демодулятора.

Устройство работает следующим образом.

1253306

Режим равновесия магнитного компаратора 1 поддерживается с помощью контура отрицательной обратной связи. При нарушении равновесия, т.е, при появлении постоянного подмагничивания магнитопроводов 2 и 3, на объединенном выводе обмоток 4 и 5 возбуждения появляется напряжение удвоенной частоты модуляции, амплитуда и фаза которого определяются величиной и знаком рассогласования ампервитков ЬТМ = Т„ И„ — Т„, й„, Напряжение удвоенной частоты снимается с указанного объединенного вывода относительно подвижного контакта потенциометра 27 и через замкнутый ключ 37 подается на сигнальный вход фазового детектора 44. С помощью потенциометра 27 осуществляется балансировка управляющего входа фазового детектора относительно напряжения возбуждения. При точной балансировке сигнал первой гармоники частоты возбуждения на указанном входе отсутствует.

Сигнал удвоенной частоты детектируется фазовым детектором 44. Постоянная составляющая напряжения (управляющее напряжение) на выходе фазового детектора 44 о величине и знаку зависит соответственно от величины и знака разбаланса ампервит35

55

В зависимости от режима измерительного преобразователя его структура изменяется. Можно выделить два режима работы: рабочий режим и режим ввода. Совокупности элементов и связей, обеспечивающей рабочий режим, измерительного преобразователя присвоено (для кратности) наименование

"структура 1", а совокупности элементов и овязей, обеспечивающей режим 10 ввода - "структура II", В рабочем режиме (" структура I") замкнуты ключи 34, Зб и 37, остальные разомкнуты. На обмотки 4 и 5 возбуждения поступает напряжение воз- 15 буждения с выхода генератора 15 возбуждения. В этом режиме намагничивающая сила (н.с.) Т„ Ч„, действующая на магнитопроводы 2 и 3 и магнтиный экран 10, уравновешивается н.с. Т„о И„, где I — постоянная составляющая по измеряемого тока, T. „— постоянный ток компенсации на выходе УПТ 28, И и И вЂ” количество витков соответи к ственно измерительной 12 и компенса- 25 ционной 11 обмоток.

Тиф и = Тко 11к

Как уже отмечалось выше Т„„и I постоянные или, точнее, медленно меняющиеся величины, жесткая связь между которыми обеспечивается действием контура отрицательной обратной связи.

Что же касается переменной составляющей измеряемого тока, то указанная составляющая из измерительной обмотки 12 трансформируется в компенсационную обмотку 11,поскольку благодаря наличию магнитного экрана 10 между обмотками 12 и i 1 существует прямая магнитная связь и при малом суммарном сопротивлении К в цепи обмотки 11 экран 10,обмоткй 11, 12 работают как трансформатор переменного тока. (Здесь К . = К, + R; + К„,где К., величина эталонного резистора 29, R; — выходное сопротивление УПТ 28, К„ - активное сопротивление обмотки 11.

В соответствии с изложенным (2) 1 и к 1 к

i р и i — мгновенные значения переменной составляющей измеряемого ков аП4. Управляющее напряжение поступает на первый вход сумматора 43 аналоговых сигналов. На второй его вход сигнал в это время не поступает, так как в "структуре I" ключи 38 и 39 разомкнуты и вход демодулятора отключен от источника сигнала. Поэтому на выходе сумматора 43 воспроизводится выходное напряжение фазового детектора 44, которое и поступает на вход УПТ 28. Под действием этого напряжения ток Т„„ в обмотке 11 изменяется и, если (аТ И1а аТ„И, режим равновесия восстанавливается с точностью до величины статического рассогласования (здесь аТ„И вЂ” предельное значение разбаланса, при котором рабочая точка магнитного компаратора 1 остается в области "истинного" нуля.

Таким образом, благодаря описанному действию контура отрицательной обратной связи ток I строго "следит" за измеряемым током I и явля тся его мерой. Связь между этими

) токами описывается соотношением (если допустимо пренебречь величиной статического рассогласования):

1253306 и компенсирующего токов соотве тс . венно, а с учетом соотношения (1) О (I, и)"и W„

5 (3), iк iè,Wè, W где и I o+ -и

Еко

Соотношение (3) показывает, что мгновенное значение тока в цепи компенсационной обмотки 11 является мерой мгновенного значения измеряемого тока в измерительной обмотке 12, разумеется, с точностью до погрешности следящего контура отрицательной об- 20 ратной связи и трансформатора переменного тока.

С помощью эталонного резистора 29 ток i„ преобразуется в напряжение, которое и поступает на выходные клем- мы 30 и 31 преобразователя. Заметим, что благодаря использованию в "структуре I" в качестве детектора разбаланса компарируемых амлервитков магнитного модулятора с удвоением часто- З0 ты достигается высокая точность преобразования Еио в Е ко .

Рассмотрим, каким образом в npoqecce работы преобразователя обеспечивается реализация "структуры Е

Выходной сигнал датчика насьпцения магнитопроводов имеет низкий уровень, если значение тока в измерительной цепи датчика ниже определенного порогового значейия, в противном случае 40 выходной сигнал датчика имеет высокий уровень. Оба датчика 41 и 42 устройства отвечают этим условиям.

В рабочем режиме магнитопроводы 45

2 и 3 полностью размагничены,индуктивность обмоток 4 и 5 возбуждения велика и ток в измерительной цепи датчика 41 мал. Ток в измерительной цепи датчика 42 в рабочем режиме равен нулю (ключ 33 разомкнут). Поэтому в рабочем режиме на оба входа блока 40 управления поступают сигналы низкого уровня. При этом условии в блоке 40 управления вырабатываются команды, обеспечивающие замкнутое состояние ключей 34, 36, 37 и разомкнутое состояние остальных ключей коммутатора 32.

Нарушение рабочего режима приводит к насыщению магнитопроводов 2 и 3, ток в цепи обмоток 4 и 5 возбуждения (и, соответственно, в измерительной цепи датчика 41) резко увеличивается и на выходе датчика

41 появляется сигнал высокого уровня.

При подаче на один из входов блока 40 управления сигнала высокого уровня в последнем вырабатываются команды, обеспечивающие замкнутое состояние ключей 33, 35, 38 и 39 и разомкнутое состояние ключей 34, 36 и 37. Такое состояние ключей коммутатора 32 соответствует режиму автоматического ввода магнитного компаратора 1 в рабочую зону. Измерительный преобразователь в этом режиме имеет "структуру ЕЕ". !

После перехода преобразователя в режим ввода ток в измерительной цепи датчика 41 насыщения становится равным нулю, чему соответствует низкий уровень сигнала на его выходе и на соответствующем входе блока 40 управления. Однако на другом входе блока 40 в тот же момент появляется сигнал высокого уровня,так как в измерительной цепи датчика 42 насыщения протекает относительно большой ток рабочих обмоток 8 и 9 (больше порогового значения), обусловленный насыщением магнитопроводов 2 и 3 вследствие большого разбаланса ампервитков обмоток 11 и 12. Так как на одном из входов блока 40 управления есть сигнал высокого уровня, указанный блок продолжает вырабаты рать команды, обеспечивающие сохранение "структуры II".

В режиме ввода к рабочим обмоткам

8 и 9 подводятся однополярные .импульсы тока: по этим обмоткам протекает ток, потребляемый транзисторным мостом 17-20 от источника 46 питания постоянного тока. Этот ток представляет собой последовательность однополярных импульсов тока, частота повторения которых в два раза выше основной частоты генератора 15 возбуждения. Указанные импульсы тока формируются с помощью последовательного

LC-контура 45. Эта цепь через ключ

35 подключена к выходу основной частоты генератора 15 возбуждения. В каждый полупериод выходного напряжения генератора 15 возбуждения (т.е. выходного напряжения транзисторного

1253306

10 моста 17-20) происходит колебательный перезаряд конденсатора LC-кон— тура 45. Длительность перезаряда определяется параметрами LC-контура 45 и выбирается примерно равной четверти периода основной частоты генератора 15 возбуждения. Электрический вентиль.47 предотвращает разряд конденсатора LC-контура 45 в паузе между двумя соседними перезарядами его.

Детектирование разбаланса ампервитков обмоток 11 и 12 осуществляется в "структуре II" путем выпрямления напряжения, образующегося на сигнальных обмотках 6 и 7 при подаче однопо лярных импульсов в рабочие обмотки

8 и 9. Указанное выпрямление осуществляется демодулятором, включающим диоды 49-50, конденсаторы 51-54 и резисторы 55-56. При таком детектировании разбаланса статическая характеристика магнитного компаратора 1 не имеет "ложных" нулей.

В момент перехода измерительного преобразователя в режим ввода разбаланс ампервитков обмоток 11 и 12 велик. На выходе демодулятора появляется напряжение, которое поступает на второй вход сумматора 43. На первый вход сумматора 43 сигнал не поступает, так как в "структуре IT" ключи 34, 36 и 37 разомкнуты и на управляющем входе фазового детектора

44 напряжение удвоенной частоты отсутствует. Поэтому на выходе сумматора 43 воспроизводится выходное напряжение демодулятора, которое и подводится к входу УПТ 28. Под действием этого напряжения ток Т„о в обмотке 11 изменяется до тех пор, пока разбаланс ампервитков обмоток

11 и 12 не уменьшится до малого значения (до величины действующего рас, согласования 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 созданы: разбаланс ампервитков обмоток 11 и 12 магнитного компаратора

5 1 мал, соблюдаются с запасом условия ввода в рабочую зону компаратора 1, имеющего статическую характеристику с ложными нулями.

Как только "структура II" приходит в равновесное состояние, ток в измерительной цепи датчика 42 умень шается ниже порогового значения.

Происходит изменение сигнала на выходе датчика 42: высокий уровень сменяется низким. Теперь на входы блока 40 управления поступают сигналы низкого уровня. В блоке 40 вырабатываются команды, обеспечивающие переход ключей 34, 36 и 37 в замкнутое состояние, а остальных ключей коммутатора 32 — в разомкнутое.

"Структура II" сменяется "структурой

I", устройство включается в рабочий режим.

В предложенном техническом решении, по сравнению с (2), исключены сложные электронные узлы, а именно, сумматор аналоговых сигналов, имЗ0 пульсный генератор и формирователь импульсов. Функции двух последних узлов выполняет оконечный каскад генератора 15 возбуждения, снабженный последовательным 1.С-контуром 45

35 и электрическим вентилем 47. При этом оконечный каскад выполнен в виде транзисторного моста. Указанное совмещение функций достигнуто благодаря введению в магнитный компаратор

1 двух рабочих 8 и 9 и двух сигнальных 6 и 7 обмоток. Введение указанных обмоток позволило уменьшить количество ключей в коммутаторе 32.

Кроме того, стало возможным сущест15 венно упростить демодулятор,исключив сумматор и упростив схему выпрямления.

1253306

Составитель Л.Морозов

Редактор А.Кондрахина Техрвд Д.олейник Корректор М,Шароши

Заказ 803/2 Тираж 731 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.ужгород, ул.Проектная,4