Устройство для измерения тока

 

Устройство относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для измерения тока в системах контроля, управления и регулирования. Изобретение решает техническую задачу повышения точности устройства за счет уменьшения температурной погрешности и повышения линейности характеристики преобразования. Сущность изобретения заключается в том, что известное устройство для измерения тока, содержащее цилиндрический токопровод с внутренней полостью, в которой размещен измерительный магниточувствительный элемент, соединенный последовательно-встречно с компенсационным магниточувствительным элементом, расположенным в плоскости, касательной к поверхности цилиндрического токопровода и параллельной плоскости измерительного магниточувствительного элемента, при этом оно снабжено штоком с направляющими, причем измерительный магниточувствительный элемент установлен в конце штока, внутренняя полость выполнена в виде прорези, параллельной оси токопровода, согласно изобретению дополнено нуль-органом, двумя двухвходовыми вентильными элементами, генератором импульсов, реверсивным счетчиком, цифроаналоговым преобразователем, усилителем мощности и вспомогательной обмоткой, при этом измерительный и компенсационный магниточувствительные элементы, соединенные последовательно-встречно, подключены ко входу нуль-органа, прямой и инверсный выходы которого соединены с первыми входами соответственно первого и второго вентильных элементов, ко вторым входам которых подсоединен выход генератора импульсов, а к выходам первого и второго вентильных элементов подключены соответственно входы "Сложение" и "Вычитание" реверсивного счетчика, выход которого соединен со входом цифроаналогового преобразователя (ЦАП), вспомогательная обмотка включена на выходе усилителя мощности, вход которого подключен к выходу ЦАП, причем вспомогательная катушка размещена на поверхности токопровода вокруг компенсационного магниточувствительного элемента или закреплена на штоке вокруг измерительного магниточувствительного элемента. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Устройство относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано для измерения тока в системах контроля, управления и регулирования.

Известно устройство для измерения тока (Спектор С.А. Измерение больших постоянных токов. -Л. : Энергия, 1978, -с. 117), содержащее цилиндрический токопровод с эксцентрически расположенным воздушным каналом, в котором для уменьшения влияния внешних магнитных полей применяются два преобразователя Холла, один из которых помещается в воздушный канал, а другой - на поверхности токопровода. При этом преобразователи Холла должны устанавливаться таким образом, чтобы их плоскости были параллельны плоскости, проходящей через оси токопровода и воздушного канала. Плоскость преобразователя Холла, расположенного снаружи токопровода, должна совпадать с направлениями силовых линий магнитного поля, создаваемого измеряемым током. Погрешность измерений от влияния внешних магнитных полей исключается путем использования цепи вычитания выходных сигналов преобразователей Холла.

Известно устройство для измерения тока (А.С. СССР 898331, БИ N 2-1982), содержащее цилиндрический токопровод с внутренней полостью, в которой размещен измерительный магниточувствительный элемент (ИМЧЭ), соединенный последовательно-встречно с компенсационным магниточувствительным элементом (КМЧЭ), расположенным в плоскости, касательной к поверхности цилиндрического токопровода и параллельной плоскости ИМЧЭ, при этом оно снабжено штоком с направляющими, причем ИМЧЭ установлен на конце штока, внутренняя полость выполнена в виде прорези, параллельной оси токопровода. Недостатком этого устройства является низкая точность, обусловленная нелинейностью характеристик преобразователей большинства МЧЭ, в особенности гальваномагнитных датчиков (Хомерики O. K. Применение гальваномагнитных датчиков в устройствах автоматики и измерений, - М.: Энергия, 1971, -с. 21 - 22), и зависимостью коэффициента преобразования МЧЭ от температуры (Хомерики O.K. Применение гальваномагнитных датчиков в устройствах автоматики и измерений, - М.: Энергия, 1971, -с. 49 - 50). Уменьшение температурной погрешности и повышение линейности характеристики преобразователя посредством включения МЧЭ совместно с термозависимыми и нелинейными элементами малоэффективно, так как приводит к снижению чувствительности.

Предлагаемое изобретение решает техническую задачу повышения точности устройства за счет уменьшения температурной погрешности и повышения линейности характеристики преобразования.

Сущность изобретения заключается в том, что известное устройство для измерения тока, содержащее цилиндрический токопровод с внутренней полостью, в которой размещен измерительный магниточувствительный элемент, соединенный последовательно-встречно с компенсационным магниточувствительным элементом, расположенным в плоскости, касательной к поверхности цилиндрического токопровода и параллельной плоскости измерительного магниточувствительного элемента, при этом оно снабжено штоком с направляющими, причем измерительный магниточувствительный элемент установлен в конце штока, внутренняя полость выполнена в виде прорези, параллельной оси токопровода, согласно изобретению снабжено нуль-органом, двумя двухвходовыми вентильными элементами, генератором импульсов, реверсивным счетчиком, цифро- аналоговым преобразователем, усилителем мощности и вспомогательной обмоткой, при этом измерительный и компенсационный магниточувствительные элементы, соединенные последовательно-встречно, подключены ко входу нуль-органа, прямой и инверсный выходы которого соединены с первыми входами соответственно первого и второго вентильных элементов, ко вторым входам которых подсоединен выход генератора импульсов, а к выходам первого и второго вентильных элементов подключены соответственно входы "Сложение" и "Вычитание" реверсивного счетчика, выход которого соединен со входом цифроаналогового преобразователя (ЦАП), вспомогательная обмотка включена на выходе усилителя мощности, вход которого подключен к выходу ЦАП, причем вспомогательная катушка размещена на поверхности токопровода вокруг компенсационного магниточувствительного элемента или закреплена на штоке вокруг измерительного магниточувствительного элемента.

На чертеже представлены конструкция и блок-схема устройства.

Предлагаемое устройство для измерения тока содержит цилиндрический токопровод 1 с продольной прорезью 2, параллельной оси токопровода, измерительный магниточувствительный элемент 3, компенсационный магниточувствительный элемент 4, подвижной шток 5, который перемещается по направляющим 6, нуль-орган 7, вентильные двухвходовые элементы 8 и 9, генератор импульсов 10, реверсивный счетчик 11, цифроаналоговый преобразователь 12, усилитель мощности 13, вспомогательную обмотку 14.

Последовательно-встречно соединенные МЧЭ подключены ко входу нуль-органа 7, прямой и инверсный выходы которого подсоединены к первым входам соответственно первого 8 и второго 9 вентильных элементов, вторые входы которых подключены к выходу генератора импульсов 10, а выходы вентильных элементов 8 и 9 подключены соответственно ко входам "Сложение" и "Вычитание" реверсивного счетчика импульсов 11. У цифроаналогового преобразователя 12 вход соединен с выходом реверсивного счетчика 11, а выход - со входом усилителя мощности 13, выход которого подключен к вспомогательной обмотке 14, внутри которой помещен МЧЭ.

В качестве МЧЭ могут быть использованы индукционные, гальванометрические, магнитомодулярные и другие датчики магнитного поля.

Нуль-орган 7 представляет собой усилитель с прямым и инверсным выходами. При сигнале на входе нуль-органа меньше порога чувствительности на его выходах логический нуль. Если же сигнал превышает порог чувствительности, то на прямом или инверсном выходе, в зависимости от знака превышения, появляется логическая единица.

Вентильные элементы 8 и 9 представляют собой логические схемы И, выполняющие операцию логического умножения.

Генератор 10 вырабатывает импульсы, поступающие через вентильные элементы на входы реверсивного счетчика.

Реверсивный счетчик 11 предназначен для интегрирования импульсов генератора 10.

Цифроаналоговый преобразователь 12 преобразует код счетчика 11 в ток, усиливаемый усилителем мощности 13.

Вспомогательная обмотка 14 выполнена с возможностью помещения внутри нее МЧЭ. Если во вспомогательную обмотку 14 помещен КМЧЭ 4, то она располагается на поверхности токопровода 1, а если же ИМЧЭ 3, то ее закрепляют на конце штока 5 и помещают в прорези 2 токопровода 1. Шток вместе с ИМЧЭ и вспомогательной обмоткой имеет возможность перемещения в прорези токопровода.

Устройство работает следующим образом.

При протекании тока по токопроводу 1 вокруг него и в прорези 2 создается магнитное поле. Выходной сигнал ИМЧЭ 3 устанавливается в соответствии с уровнем напряженности магнитного поля, а сигнал на выходе КМЧЭ 4 от величины измеряемого тока не зависит, поскольку плоскость КМЧЭ касательна к поверхности токопровода 1. Таким образом, суммарный выходной сигнал на выходе МЧЭ 3 и 4 будет равен выходному сигналу ИМЧЭ 3. При воздействии внешнего магнитного поля помехи суммарный выходной сигнал не изменяется, поскольку МЧЭ включены последовательно- встречно. Если суммарный выходной сигнал МЧЭ превышает порог чувствительности нуль-органа 7, то на его прямом выходе устанавливается логическая единица, разрешающая прохождение импульсов с генератора 10 через вентильный элемент 8 на вход "Сложение" реверсивного счетчика 11. Код счетчика будет возрастать, а следовательно, возрастают ток ЦАП 12 и ток на выходе усилителя мощности 13, питающий вспомогательную обмотку 14, которая создает вспомогательное магнитное поле. Если вспомогательная обмотка 14 расположена на поверхности токопровода вокруг КМЧЭ 4, то под действием вспомогательного магнитного поля выходной сигнал КМЧЭ будет возрастать до величины, равной выходному сигналу ИМЧЭ. При равенстве сигналов МЧЭ суммарный выходной сигнал будет равен нулю, то есть станет меньше порога чувствительности нуль-органа 7, который возвратится в исходное состояние, и прекратится прохождение импульсов на вход счетчика. При уменьшении тока в токопроводе суммарный выходной сигнал МЧЭ превысит порог чувствительности нуль-органа со знаком "минус". Нуль-орган срабатывает и на его инверсном выходе появляется логическая единица. Импульсы с генератора через вентильный элемент 9 начинают поступать на вход "Вычитание" реверсивного счетчика, код на выходе которого будет уменьшаться до момента равенства выходных сигналов МЧЭ. В момент равенства выходных сигналов МЧЭ код счетчика, выходные токи ЦАП и усилителя мощности будут пропорциональны измеряемому току.

Таким образом, рабочие токи МЧЭ занимают на их характеристиках преобразования одинаковое положение, следовательно, при изменении температуры окружающей среды изменение выходных сигналов МЧЭ будет одинаковым и не повлечет изменения суммарного выходного сигнала МЧЭ и код счетчика сохранится прежним. Однако на точность устройства будет влиять линейность характеристики МЧЭ. Для устранения этого влияния вспомогательную обмотку располагают не на поверхности токопровода, а закрепляют на конце штока 5 вокруг МЧЭ 3. Работа устройства в этом случае отличается тем, что вспомогательное магнитное поле будет смещать рабочую точку ИМЧЭ в исходное положение, которое устанавливается воздействием внешнего магнитного поля помехи. Поскольку вспомогательное магнитное поле уравновешивает магнитное поле тока в токопроводе, то нелинейность характеристик МЧЭ не влияет на линейность устройства.

При увеличении тока в токопроводе возрастает выходной сигнал ИМЧЭ и, следовательно, суммарный выходной сигнал, который превысит порог чувствительности нуль-органа. На прямом выходе нуль-органа появится сигнал, разрешающий прохождение импульсов с генератора на суммирующий вход реверсивного счетчика. Код счетчика, токи на выходах ЦАП и усилителя мощности будут возрастать до тех пор, пока вспомогательное магнитное поле не будет равно полю измеряемого тока. При этом рабочая точка ИМЧЭ вернется в исходное положение, а суммарный выходной сигнал уменьшится до нуля, что приведет к возвращению нуль-органа в исходное состояние, и поступление импульсов на вход счетчика прекратится. При уменьшении измеряемого тока устройство работает аналогично. Код счетчика, токи на выходах ЦАП и усилителя мощности в установившемся состоянии пропорциональны измеряемому току. Быстродействие устройства зависит от частоты генератора импульсов, быстродействия элементов, используемых в устройстве, и постоянной времени вспомогательной обмотки. С использованием современных интегральных схем ЦАП, счетчика, вентильных элементов и генератора данным устройством можно измерять таки в диапазоне частот от нуля до нескольких десятков и сотен герц.

При использовании в качестве МЧЭ датчиков Холла генератор импульсов может служить также источником питания датчиков.

При необходимости регулирование чувствительности и коэффициента преобразования устройства осуществляется посредством перемещения ИМЧЭ со вспомогательной обмоткой в прорези посредством штока.

Предпочтительным является расположение вспомогательной обмотки вокруг ИМЧЭ, поскольку даже при изменении больших токов благодаря тому, что ИМЧЭ и вспомогательная обмотка могут перемещаться в прорези в область малых напряженностей магнитного поля измеряемого тока, размеры вспомогательной обмотки могут быть небольшими. Кроме того, в этом случае точностные параметры устройства выше, поскольку помимо уменьшения температурной погрешности повышается линейность устройства, которая не зависит от линейности характеристик МЧЭ.

Предлагаемое устройство может быть использовано для измерения величин тока в системах электроснабжения промышленных предприятий.

По сравнению с прототипом заявляемое устройство для измерения тока имеет следующие преимущества: 1) меньшие температурные погрешности, поскольку рабочие точки МЧЭ занимают одинаковое положение на характеристиках МЧЭ и при изменении температуры (при идентичности характеристик МЧЭ) выходные сигналы МЧЭ изменяются на равную величину, а суммарный выходной сигнал не изменится; 2) повышенную линейность характеристики преобразования устройства, поскольку в случае расположения вспомогательной обмотки вокруг ИМЧЭ положение рабочей точки на характеристике МЧЭ не зависит от величины измеряемого тока; 3) более высокую точность, достигаемую за счет цифрового отсчета; 4) более широкие функциональные возможности, обусловленные наличием цифрового и аналогового выходов, что дает возможность использования устройства в цифровых устройствах обработки измерительной информации на базе микропроцессоров и мини-ЭВМ.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения тока, содержащее цилиндрический токопровод с внутренней полостью, в которой размещен измерительный магниточувствительный элемент, соединенный последовательно встречно с компенсационным магниточувствительным элементом, расположенным в плоскости, касательной к поверхности цилиндрического токопровода и параллельной плоскости измерительного магниточувствительного элемента, при этом оно снабжено штоком с направляющими, причем измерительный магниточувствительный элемент установлен на конце штока, внутренняя полость цилиндрического токопровода выполнена в виде прорези, параллельной его оси, отличающееся тем, что оно снабжено нуль-органом, двумя двухвходовыми логическими схемами И, генератором импульсов, реверсивным счетчиком, цифроаналоговым преобразователем, усилителем мощности и вспомогательной обмоткой, при этом измерительный и компенсационный магниточувствительные элементы, соединенные последовательно встречно, подключены к входу нуль-органа, прямой и инверсный выходы которого соединены с первыми входами соответственно первой и второй логических схем И, к вторым входам которых подсоединен выход генератора импульсов, а к выходам первой и второй логических схем И подключены соответственно входы "Сложение" и "Вычитание" реверсивного счетчика, выход которого соединен с входом цифроаналогового преобразователя, вспомогательная обмотка включена на выходе усилителя мощности, вход которого подключен к выходу цифроаналогового преобразователя.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вспомогательная обмотка размещена на поверхности цилиндрического токопровода вокруг компенсационного магниточувствительного элемента.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вспомогательная обмотка закреплена на штоке вокруг измерительного магниточувствительного элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1