Измерительный преобразователь интенсивности тока

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения переменного электрического тока. Целью изобретения является упрощение преобразователя. Преобразователь содержит магнитную цепь с магнитной обмоткой, элемент Холла, два измерительных блока и схему для суммирования измерительных сигналов и выдачи выходного сигнала. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительному преобразователю интенсивности тока для измерения переменного электрического тока, содержащему преобразователь тока с магнитной цепью, имеющей, по меньшей мере, один воздушный зазор, в который помещен детектор магнитного поля, при этом магнитная цепь выполнена с возможностью взаимодействия с проводником, в котором измеряется интенсивность тока, и по меньшей мере с одной измерительной обмоткой.

Устройство этого типа известно, например из заявки на Европейский патент N 0194225.

Такие известные устройства работают в соответствии с принципом компенсации магнитных полей, возбуждаемых, с одной стороны, посредством измеряемого тока и, с другой стороны, посредством измерительного тока, текущего в измерительной обмотке.

Однако в некоторых случаях использования, например, при измерении импульсных токов или периодических токов со строго асимметричной формой колебаний переменных токов включения сети известный токовый преобразователь становится насыщенным и, следовательно, не может использоваться. С другой стороны, желательно иметь возможность измерения, или учета при измерениях, постоянных составляющих измеряемых токов, с использованием относительно простого, экономичного и компактного устройства.

Техническим результатом, обеспечиваемым изобретением, является упрощение устройства и уменьшение габаритов.

Указанный технический результат достигается тем, что в измерительном преобразователе интенсивности тока, содержащем преобразователь интенсивности тока с магнитное цепью, в которой выполнен, по крайней мере, один воздушный зазор, в которой помещен детектор магнитного поля, при этом магнитная цепь выполнена с возможностью взаимодействовать с проводником, в котором измеряется интенсивность тока, и с одной, по крайней мере, измерительной обмоткой, в соответствии с изобретением, детектор магнитного поля выполнен в виде части первого измерительного блока, имеющего измерительные выходные выводы для выдачи первого измерительного сигнала, являющегося функцией магнитного поля в воздушном зазоре упомянутой магнитной цепи, упомянутая измерительная обмотка выполнена в виде части второго измерительного блока, имеющего измерительные выходные выводы, для выдачи второго измерительного сигнала, являющегося функцией тока, наведенного в упомянутой измерительной обмотке, причем измерительные выходные выводы первого и второго измерительных блоков соединены с суммирующей схемой для суммирования первого и второго измерительных сигналов и выдачи выходного сигнала, представляющего измеряемый ток.

При этом детектор магнитного поля предпочтительно может быть выполнен в виде датчика Холла, вход и выход возбуждения и измерительный вход которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим выводами задатчика его тока возбуждения и начального смещения по напряжению, при этом датчик Холла и задатчик его тока возбуждения и начального смещения по напряжению образуют первый измерительный блок, измерительный выход датчика Холла соединен с входом второго измерительного блока, выход которого является выходом устройства, а первый и второй измерительные выводы соединены с соответствующими выводами измерительной обмотки. Также предпочтительно, что задатчик тока возбуждения и начального смещения по напряжению датчика Холла содержит генератор тока и операционный усилитель, выходы которых и инвертирующий вход операционного усилителя соединены соответственно с первым, вторым и третьим выводами задатчика тока возбуждения и начального смещения датчика Холла, причем неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с источником опорного напряжения.

Также предпочтительно, что второй измерительный блок содержит ключ и резистор, первый вывод которого соединен с входом и с первым измерительным выводом второго измерительного блока, второй измерительный вывод которого через ключ соединен с вторым выводом резистора и с выходом второго измерительного блока, причем соединение измерительного выхода датчика Холла с входом второго измерительного блока может быть осуществлено через усилитель с регулируемым коэффициентом усиления.

На чертеже представлен предлагаемый преобразователь интенсивности тока.

Первичный ток I_p, подлежащий измерению, протекает через проводник 1, который поперечно окружен магнитной цепью 2, имеющий воздушный зазор 3. Эта магнитная цепь может быть выполнена в форме, например, тороидального сердечника из материала, имеющего хорошую магнитную проницаемость, или из наборных металлических пластин, образующих слоистую структуру подобно сердечнику трансформатора. На этой магнитной цепи предусмотрена измерительная обмотка 4, которая соединена посредством соединительного устройства, схематически представленного ключом 6, с измерительным сопротивлением R. Элемент Холла 5 помещен в воздушном зазоре 3 так, чтобы находиться под воздействием магнитного поля, возникающего в этом зазоре.

Как будет более подробно описано ниже, измерительное устройство, представленное на чертеже, содержит первый измерительный блок A, вырабатывающий первый измерительный сигнал U_S в виде напряжения между выводом 15 и землей, второй измерительный блок B, образованный обмоткой 4 и ее соединениями и обеспечивающий второй измерительный сигнал U_R в виде напряжения между выводами, соединенными с резистором R, и суммирующую схему С, обеспечивающую формирование выходного измерительного сигнала в виде напряжения между выводом M и землей.

Элемент Холла показан на электрической схеме отдельно со своими соединениями. Питающий ток i поступает на элемент 5 через токовый генератор, состоящий, например, из схемы, включающей в себя транзистор T, резисторы r₁ и r₂, полупроводниковый стабилитрон Z, присоединенный к первому выводу 7 питания элемента. Потенциал второго вывода 8 питания элемента непрерывно регулируется посредством операционного усилителя 11 так, что на первом измерительном выводе 9 элемента Холла, присоединенном к первому входу /-/ усилителя 11, поддерживается потенциал, приложенный к второму входу /+/ этого усилителя, причем этот потенциал является образцовым как, например, потенциал земли в случае, показанном на чертеже. Соответственно, на втором измерительном выводе 10 элемента Холла, появляется измерительное напряжение относительно земли, которое пропорционально магнитному полю H, существующему в воздушном зазоре 3.

Выходной вывод 10 соединен с первым входным выводом операционного усилителя 13, второй входной вывод 14 которого соединен со средней точкой делителя напряжения, присоединенного между землей и выходным выводом 15 этого операционного усилителя 13. Делитель напряжения включает в себя в этом случае постоянный резистор r₃ и переменный резистор r₁, позволяющий регулировать уровень измерительного напряжения U_S, возникающего на выходе 15, т. е. устанавливать коэффициент пропорциональности между этим напряжением и магнитным полем H.

Например, если ток I_p, подлежащий измерению, включает в себя постоянную и изменяющуюся компоненту, то последняя наводит электродвижущую силу в обмотке 4. Эта обмотка соединена с резистором R; соответствующие ампер-витки AT_S, первичные ампер-витки AT_p, т. е. в данном случае I_p, и магнитное поле H связаны соотношением AT_p=H·L+AT_S, где L - длина воздушного зазора.

Напряжение U_S, таким образом, обеспечивает меру компоненты H·L первичного тока I_p, причем эта компонента обеспечивает намагничивание магнитной цепи, т. е. фактически устанавливает поток в воздушном зазоре, поскольку очень высокая проницаемость части магнитной цепи, образованной железным сердечником, допускает пренебрежение магнитодвижущей силой, необходимой для циркуляции потока в остальной части цепи. Что касается напряжения U_R на выводах резистора R, то оно представляет собой меру первичного тока, скомпенсированного посредством вторичных ампер-витков, полученного вследствие изменения магнитного потока.

Для калибровки напряжения U_S относительно напряжения U_R, использован образцовый первичный ток, который может быть постоянным или синусоидальным. Для калибровки синусоидальным током обмотка 4 отключается путем размыкания ключа 6 так, что измерение тока выполняется посредством измерения магнитного поля в воздушном зазоре. Напряжение затем выставляется посредством установки коэффициента усиления усилителя 13 при помощи резистора r таким образом, чтобы амплитуда U_S равнялась теоретическому значению амплитуды напряжения U_S, которое может быть выработано идеальным трансформатором силы тока без воздушного зазора, т. е. в данном случае U_S=R·I_p/N_S, где N_S - число витков обмотки 4.

Напряжения U_R и U_S могут затем суммироваться для обеспечения измерения полной силы тока, включая постоянную составляющую. Как показано на чертеже, общее измерительное напряжение формируется на выводе М, а резистор R присоединен между выводами 15 и M.

В соответствии с одним из вариантов исполнения изобретения (не показан) измерительный резистор R может быть присоединен непосредственно к элементу Холла, а именно, к его выводу 10, причем этот элемент питается от генератора тока, обеспечивающего регулируемый ток возбуждения, который обеспечивает регулирование выходного напряжения элемента Холла.

Возможно также заземлить один вывод резистора R и суммировать напряжение U_R с выходным напряжением элемента Холла, которое может усиливаться или не подвергаться усилению, посредством соответствующих резисторов, присоединенных к входу "-" операционного усилителя согласно известному методу. Присоединение резистора R последовательно с измерительным напряжением U_S дает то преимущество, что не вносятся искажения измерительного сигнала U_R из-за ограничения амплитуды и полосы пропускания операционного усилителя.

Изобретение, в частности, обеспечивает преимущества в точном измерении импульсных токов или токов короткого замыкания большой амплитуды, либо в случае большого первичного тока, имеющего относительно малую непрерывную составляющую, а также в случае переменного первичного тока, имеющего постоянную составляющую в течение ограниченного периода времени, как в случае токов включения в сетях переменного тока.

На чертеже также показана схема защиты, обозначенная позицией 16, которая предназначена для обнаружения превышения порога для той или иной полярности измерительного напряжения, обеспечиваемого элементом Холла.

Для этого вывод 15 присоединен к соответствующим входам "+" и "-" двух компараторов 17 и 18, причем соответствующие входы противоположного знака этих компараторов соединены с выводами последовательного соединения двух полупроводниковых стабилитронов, общая точка соединения которых заземлена, а внешние выводы присоединены соответственно, через резисторы к положительным и отрицательным выводам питающего напряжения схемы. Параллельно этим полупроводниковым стабилитронам присоединен потенциометр 19, движок которого через резистор r₄ соединен с входом 20 операционного усилителя 11, причем между этим входом и землей включен низкоомный резистор r₅. Этот потенциометр обеспечивает компенсацию напряжения смещения сигнала U_S в отсутствие первичного тока, причем это напряжение смещения вызвано суммированием напряжений смещения элемента 5 и усилителей 11 и 13.

Выходные выводы компараторов 17 и 18, выполненных на транзисторах с открытым коллектором, объединены и через резистор соединены с положительным выводом напряжения питания. Каждый компаратор включен таким образом, что становится проводящим в том случае, если прикладываемое к нему измерительное напряжение превышает порог, определяемый напряжением соответствующего полупроводникового стабилизатора в направлении полярности этого напряжения. Таким образом, выходной сигнал, например отрицательный сигнал ошибки , возникающий в описанной схеме, указывает, что имеется, например, насыщение магнитной цепи или что элемент Холла работает в нелинейной области.

В зависимости от конкретных условий использования, магнитная цепь может быть разделена на две ветви так, чтобы получить цепь, которая могла бы быть открытой с точки зрения возможности введения первичного проводника внутрь этой цепи. В этом случае, магнитная цепь будет иметь, например, два воздушных зазора, снабженных элементами Холла, причем отдельно регулируемые измерительные напряжения этих элементов будут суммироваться в измерительной схеме. Измерительная обмотка может быть размещена на двух ветвях магнитной цепи, а последняя может быть закреплена по типу токоизмерительных клещей.

Число воздушных зазоров и соответствующих элементов Холла не ограничивается двумя и может, предпочтительно, превышать два в случае высоких измеряемых токов.

В случае устройства с отдельными элементами сложение напряжений различных элементов преимущественно выполняется подключением вывода 10 первого элемента к входу схемы питания следующего элемента, т. е. к выводу, соответствующему выводу 20. Таким образом, напряжение, возникающее на выходе каждого элемента, таком как вывод 10, обеспечивает опорный потенциал для следующего элемента, а сумма измерительных напряжений всех элементов формируется на выходе последнего элемента.

С другой стороны, в случае, относительно низких измеряемых токов используется первичный проводник, который предпочтительно образован отдельными витками, для повышения точности измерения постоянной составляющей.

Формула изобретения

1. Измерительный преобразователь интенсивности тока, содержащий преобразователь интенсивности тока с магнитной цепью, в которой выполнен по крайней мере один воздушный зазор, в который помещен детектор магнитного поля, при этом магнитная цепь выполнена с возможностью взаимодействовать с проводником, в котором измеряется интенсивность тока, и с одной по крайней мере измерительной обмоткой, отличающийся тем, что детектор магнитного поля выполнен в виде части первого измерительного блока, имеющего измерительные выходные выводы для выдачи первого измерительного сигнала, являющегося функцией магнитного поля в воздушном зазоре упомянутой магнитной цепи, упомянутая измерительная обмотка выполнена в виде части второго измерительного блока, имеющего измерительные выходные выводы, для выдачи второго измерительного сигнала, являющегося функцией тока, наведенного в упомянутой измерительной обмотке, причем измерительные выходные выводы первого и второго измерительных блоков соединены с суммирующей схемой для суммирования первого и второго измерительных сигналов и выдачи выходного сигнала, представляющего измеряемый ток.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что детектор магнитного поля выполнен в виде датчика Холла, вход и выход возбуждения и измерительный вход которого соединены соответственно с первым, вторым и третьим выводами задатчика его тока возбуждения и начального смещения по напряжению, при этом датчик Холла и задатчик его тока возбуждения и начального смещения по напряжению образуют первый измерительный блок, измерительный выход датчика Холла соединен с входом второго измерительного блока, выход которого является выходом устройства, а первый и второй измерительные выводы соединены с соответствующими выводами измерительной обмотки.

3. Преобразователь по п. 1 или 2, отличающийся тем, что задатчик тока возбуждения и начального смещения по напряжению датчик Холла содержит генератор тока и операционный усилитель, выходы которых и инвертирующий вход операционного усилителя соединены соответственно с первым, вторым и третьим выводами задатчика тока возбуждения и начального смещения датчика Холла, причем неинвертирующий вход операционного усилителя соединен с источником опорного напряжения.

4. Преобразователь по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что второй измерительный блок содержит ключ и резистор, первый вывод которого соединен с входом и с первым измерительным выводом второго измерительного блока, второй измерительный вывод которого через ключ соединен с вторым выводом резистора и с выходом второго измерительного блока.

5. Преобразователь по любому из пп.2 - 4, отличающийся тем, что соединение измерительного выхода датчика Холла с входом второго измерительного блока осуществлено через усилитель с регулируемым коэффициентом усиления.

РИСУНКИ

Рисунок 1