Способ бесконтактного цифрового измерения электрического тока и устройство его реализации

 

Изобретение может быть использовано при бесконтактном высокоточном контроле и регулировании переменного и постоянного тока, в частности при создании цифровых датчиков тока. Технический результат - повышение точности измерения электрических токов, получение величины бесконтактноизмеряемых токов в цифровой форме, удобной для хранения, обработки и передачи ее современными цифровыми вычислительными системами. По предлагаемому способу на ферромагнитный сердечник наносятся четыре обмотки: первичная с измеряемым током, вторая - грубой компенсации с дискретно изменяемым током, третья - точной компенсации с высокочастотным ступенчатым возрастающе-убывающим пилообразным током и четвертая - сигнальная, в которой получают сигнальные импульсы, с помощью которых автоматически определяют знак и величину измеряемого тока в дополнительном коде по алгоритму, заложенному в микропроцессорный контроллер датчика. Устройство содержит указанный ферромагнитный сердечник с обмотками, усилитель-формирователь сигнальных импульсов, микропроцессорный контроллер, реверсивный счетчик, два коммутатора, генератор тактовых импульсов, два дешифратора, два преобразователя "код-ток", два RS-триггера, JKRS-триггера, два многоразрядных ключа, регистр управления током грубой компенсации, выходной регистр датчика и др., соединенные между собой вполне определенным образом, обеспечивающим достижение поставленной цели. 2 с. п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при бесконтактном высокоточном контроле и регулировании переменного и постоянного тока J_Х, в частности при создании цифровых датчиков тока.

Известен способ бесконтактного измерения тока J_Х, основанный на определении величены магнитного потока в магнитопроводе, охватывающем проводник с током, с помощью датчиков Холла, расположенных в одном или нескольких поперечных разрезах магнитопровода [1, 2]. На выходе датчиков Холла возникает напряжение, пропорциональное магнитному потоку, а следовательно, и измеряемому току. Процесс измерения тока сводится к измерению получаемого напряжения.

Недостатками данного способа являются: - низкая точность измерений устройствами, реализующими этот способ, из-за погрешностей самих датчиков Холла, неучета ширины петли гистерезиса, дестабилизирующего действия поперечных разрезов магнитопровода; - необходимость дополнительных не предусмотренных способом операций для получения цифрового значения измеряемого тока, связанных с оцифровкой получаемого датчиком Холла напряжения.

Известен компенсационный способ бесконтактного измерения токов [3, 4], также основанный на использовании датчиков Холла, но отличающийся от предыдущего тем, что датчиком Холла при этом определяют разностное значение магнитного потока, образованного проводником W₁ с измеряемым током J_Х и второй обмоткой W₂ с компенсирующим током i_К, причем последний формируют по сигналу от датчика Холла. По значению компенсирующего тока i_К судят о значении измеряемого тока J_Х.

В данном способе сужается диапазон работы датчиков Холла, что уменьшает влияние составляющей ошибки, связанной с нелинейностью их характеристик, но возрастает значимость аддитивной составляющей погрешностей этих датчиков; сохранилось и даже усилилось влияние всех остальных, отмеченных выше недостатков предыдущего способа, поскольку датчики Холла сами имеют низкую чувствительность при малых разностных значениях магнитных потоков, к тому же им приходится работать по данному способу в основном в области петли гистерезиса. Увеличение влияния ошибок связано и с тем, что датчики Холла по способу перестали выполнять функции измерений всего тока J_Х, а превратились в элемент регулирования компенсирующего тока i_К с присущими этому процессу ошибками, особенно при малых значениях измеряемых токов J_Х. По данному способу именно компенсирующий ток i_К считается результатом определения измеряемого тока J_Х, а он сам нуждается в дополнительных операциях фильтрации, измерения и оцифровки.

Наиболее близким к предлагаемому является "Способ бесконтактного измерения электрического тока" [5], по которому с помощью первичной обмотки W₁ (проводника, фиг. 1) ферромагнитного сердечника, имеющего прямоугольную петлю гистерезиса (фиг. 2), под влиянием пропущенного через нее измеряемого тока J_Х в сердечнике создают основной магнитный поток напряженностью H₁ = W₁•J_Х/L, где L - длина средней магнитной силовой линии, с помощью компенсационной обмотки W₂, включаемой встречно, под воздействием компенсирующего тока i_К создают встречный магнитный поток напряженностью -H₂ = -W₂•i_К/L. Если разностный магнитный поток напряженностью ΔH = W₁•J_Х/L - W₂•i_К/L, убывая за счет увеличения i_К ≥ (L•H_S + W₁•J_Х)/W₂, оказывается меньше напряженности магнитного поля в ферромагнитном сердечнике, соответствующей границам его перемагничивания при насыщениях H_S, то происходит перемагничивание ферромагнитного сердечника и при этом в компенсационной обмотке появляется отрицательный импульс, с помощью которого делают знак производной компенсирующего тока отрицательным, Компенсирующий ток i_К после этого начинает убывать, вызывая увеличение ΔH и при ΔH ≥ H_S происходит обратное перемагничивание ферромагнитного сердечника, а в компенсационной обмотке появляется положительный импульс, с помощью которого производную компенсирующего тока делают опять положительной и компенсирующий ток i_К после этого начинает вновь возрастать и так далее. "О величине измеряемого тока J_Х судят по значению низкочастотной составляющей компенсирующего тока" [5] i_К = ± J_Х•(W₁/W₂) ± H_S•L/W₂, где второе слагаемое ± H_S•L/W₂ представляет собой аддитивную ошибку опять же от неучета в данном способе влияния петли гистерезиса. Это один из недостатков данного способа. Другими весомыми недостатками являются отсутствие в этом способе явно выраженных операций вычленения "низкочастотной составляющей" [5], измерения самого компенсирующего тока, его оцифровки.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения электрических токов, получение величины бесконтактноизмеряемых токов в цифровой форме, удобной для хранения; обработки и передачи ее современными цифровыми вычислительными системами.

Цель достигается тем, что, как и в известных способах, измеряемый ток J_Х пропускают через первичную обмотку W₁ ферромагнитного сердечника и тем самым создают в нем основной магнитный поток напряженностью H₁ = W₁•J_Х/L, через обмотку W₂ грубой компенсации сердечника пропускают компенсирующий ток i_К и тем самым создают в нем магнитный поток -H₂ = -W₂•i_К/L. В отличие от аналогов и прототипа на ферромагнитный сердечник наносятся дополнительно обмотка W₃ точной компенсации, через которую пропускают периодически изменяющийся ступенчатый возрастающе-убывающий пилообразный (фиг. 3,а) ток i_П и создают тем самым дополнительный встречный магнитный поток напряженностью -H_Д = -W₃•i_П/L, сигнальная обмотка W_С (фиг. 1), в которой в моменты t_В, t_Н перемагничивания сердечника получают (фиг. 3,б) при J_Х ≥ 0 сигнальные импульсы И_В ⁺, И_Н ⁺, при J_Х < 0 - сигнальные импульсы И_В ^-, И_Н ^-.

Ступенчатый возрастающе-убывающий пилообразный ток i_П содержит K^ОТ возрастающих и столько же убывающих ступенек-отсчетов, количество которых выбирается из условия требуемой точности измерения токов, поскольку величина ступенчатого скачка δi_П пилообразного тока i_П зависит от этой величины: δi_П = 2•H_S•L/K^ОТ•W₃, а текущее значение пилообразного тока i_П равно i_П = δi_П•k^ОТ = 2•k^OT•H_s•L/K^ОТ•W₃, где k^ОТ - текущий порядковый номер ступеньки от основания ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока i_П.

Магнитные потоки первичной W₁ и компенсирующих грубой W₂ и точной W₃ обмоток алгебраически складывают в результирующий поток напряженностью ΔH ΔH = H₁ - H₂ - H_Д = (W₁•J_Х - W₂•i_К - W₃•i_П)/L.

Если вначале на временном интервале периода T_П ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока i_П перемагничивания ферромагнитного сердечника не происходит и, следовательно, на выходе сигнальной обмотки W_С сигнальные импульсы не появляются, то реализуют режим сканирования - поиска по назначенному диапазону возможного изменения измеряемого тока его фактического текущего значения с учетом знака. Шаги поиска производят дискретным изменением ампер-витков i_К•W₂ грубой компенсационной обмотки на постоянную величину Δ(i_К•W₂) ≥ H_S•L, увеличивая либо и ток i_К, и количество витков W₂ этой обмотки одновременно, либо только количество витков W₂ на ΔW₂ = H_S•L/i_К, либо только компенсирующий ток i_К на Δi_К = H_S•L/W₂. В последнем варианте реализации компенсации при отсутствии сигнальных импульсов подряд на k^ОГ периодах ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока i_П компенсирующий ток i_К увеличивают k^ОГ раз i_К = k^ОГ• Δi_К. При отсутствии факта перемагничивания сердечника сканирование области возможного значения определяемого тока продолжают вплоть до достижении им его максимального значения i_Кmax = K^ОГ• Δi_К, где K^ОГ - максимальное количество грубых дискретов увеличения тока в обмотке грубой компенсации, равное K^ОГ = J_Хmax•W₁/ Δi_К•W₂; ±J_Хmax - известные, заранее заданные границы диапазона возможного изменения измеряемого тока.

При k^ОГ > K^ОГ изменяют на противоположный характер встречного включения ампер-витков грубой W₂•i_К и точной W₃•i_П компенсирующих обмоток относительно первичной обмотки, обнуляют значения k^ОГ и i_К и далее сканируют область противоположного знака измеряемого тока J_Х изложенным образом i_К = k^ОГ• Δi_К, пока на возрастающей фазе ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока i_П не произойдет наконец перемагничивание ферромагнитного сердечника, и, как следствие, в сигнальной обмотке не появится сигнальный импульс И_В.

С появлением сигнального импульса сканирование прекращают и переходят в режим точного определения знака и величины измеряемого тока J_Х. Если на возрастающей фазе ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока i_П на выходе сигнальной обмотки W_С при перемагничивании появился положительный сигнальный импульс И_В > 0, то его используют, во-первых, как признак И_В ^- отрицательной полярности J_Х и при этом заносят единицу в знаковые разряды регистров - ячеек оперативной памяти микропроцессорного контроллера, отведенных специально для оперативного хранения цифровых кодов [J_X] = [1]_ЗН|k_Nk_N-1...k₀| текущего значения измеряемого тока J_Х, где [1]_ЗН знаковый разряд, |k_Nk_N-1...k₀| - модуль определяемого тока |J_X| в двоичной системе счисления [6]; во-вторых, с его помощью регистрируют значение k^ОГ в соответствующей ячейке оперативной памяти k^ОГ микропроцессорного контроллера как цифровое представление приближенного значения J_Х ≈ k^ОГ• Δi_К•W₂/W₁; в-третьих, с его помощью регистрируют значение номера ступеньки k_В ^ОТ возрастающей фазы ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока i_П, на которой произошло первое на периоде Тп перемагничивание, в свою ячейку k_В ^ОТ оперативной памяти микропроцессорного контроллера.

Если сигнальный импульс И_В < 0 отрицательный, то его используют, во-первых, как признак И_В ⁺ положительной полярности J_Х и в знаковые разряды регистров [J_X] = [0]_ЗН|k_Nk_N-1...k₀| заносят ноль [0]_ЗН, во-вторых, с его помощью регистрируют значение k^ОГ в соответствующей ячейке оперативной памяти k^ОГ микропроцессорного контроллера, в-третьих, с его помощью регистрируют значение номера ступеньки k_В ^ОТ возрастающей фазы ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока i_П, на которой произошло это перемагничивание, в ячейке k_В ^ОТ оперативной памяти микропроцессорного контроллера.

На ниспадающей фазе ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока i_П происходит обратное перемагничивание ферромагнитного сердечника и в сигнальной обмотке возникает сигнальный импульс И_Н, с помощью которого регистрируют значение номера ступеньки _Н ^ОТ ниспадающей фазы ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока i_П, на которой произошло это перемагничивание, в свою ячейку k_Н ^ОТ оперативной памяти микропроцессорного контроллера. Значения k^ОГ, k_В ^ОТ, k_Н ^ОТ вводят в оперативную память микропроцессорного контроллера и по алгоритму на каждом периоде ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока i_П получают точное значение модуля измеряемого тока |J_X|, которое заносят в регистры k^ОГ, [J_Х] оперативной памяти микропроцессорного контроллера. Полученное высокоточное цифровое значение измеренного тока _Х из оперативной памяти микропроцессорного контроллера подают через выходной регистр на входы блока многоразрядных цепей развязки.

Устройство бесконтактного цифрового измерения электрического тока представлено на фиг. 1 и 4. Принцип действия и устройство ферромагнитного сердечника с обмотками (см. фиг. 1) изложены выше при раскрытии предлагаемого способа, указано, что он наряду с известными первичной обмоткой W₁, через которую протекает измеряемый ток, и обмоткой грубой компенсации W₂, включаемой встречно, содержит установленные дополнительно обмотку точной компенсации W₃, включаемой тоже встречно, через которую пропускают периодический ступенчатый возрастающе-убывающий пилообразный компенсирующий ток i_П, сигнальную обмотку W_С, в которой в моменты перемагничивания сердечника появляются сигнальные импульсы вполне определенной полярности, однозначно зависящей от знака измеряемого тока и фазы периодического ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного компенсирующего тока i_П.

На фиг. 4 приведена схема предлагаемого устройства, на которой показан ферромагнитный сердечник теперь уже с четырьмя обмотками 1, причем компенсирующие обмотки W₂, W₃ многосекционного типа. По отношению к прототипу [5] исключены и формирователь прямоугольного напряжения, и выходной резистор, но дополнительно введены трехвходовая логическая схема И 2, генератор тактовых импульсов 3, два RS-триггера 4 и 5, два многоразрядных ключа 6 и 8, реверсивный счетчик ступенек периодического ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока точной компенсации 7, два преобразователя "код-ток" 9 и 18, два дешифратора 10 и 16, микропроцессорный контроллер 15, реализующий алгоритм, представленный на схеме фиг. 5, два коммутатора 11 и 17 количества витков и включения обмоток компенсации, усилитель-формирователь сигнальных импульсов 12, регистр управления током 19 обмотки грубой компенсации, JKRS-триггер 20 управления включением обмоток грубой и точной компенсации, выходной регистр 14, блок многоразрядных цепей развязки 13, блок питания 21.

Выходы сигнальной обмотки W_С ферромагнитного сердечника подключены к первому и второму входу усилителя-формирователя 12 сигнальных импульсов, выходы которого подсоединены: первый одновременно к управляющему входу первого многоразрядного ключа 8 и S-входу второго RS-триггера 5, второй одновременно к управляющему входу второго многоразрядного ключа 6, S-входу первого RS-триггера 4 и третьему входу микропроцессорного контроллера 15, третий и четвертый к четвертому и пятому входам микропроцессорного контроллера 15 соответственно.

Реверсивный счетчик 7 ступенек периодического ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока точной компенсации связан первым входом с выходом генератора тактовых импульсов 3, обнуляющим входом с синхронизирующим входом, информационным выходом одновременно с первыми информационными входами первого 6 и второго 8 многоразрядных ключей и информационным входом первого преобразователя "код-ток" 9, вторым выходом со вторым входом логической схемы И 2, третьим выходом с R-входами обоих RS-триггеров 4 и 5, четвертым выходом с синхронизирующим выходом.

Выходы первого 4 и второго 5 RS-триггеров подключены к первому и третьему входам логической схемы И 2 соответственно. Выход схемы И 2 подсоединен к шестому входу микропроцессорного контроллера 15. Информационные выходы первого 6 и второго 8 многоразрядных ключей связаны с первым и вторым информационными входами микропроцессорного контроллера 15 соответственно. Входы обмотки точной компенсации W₃ подключены к выходам первого коммутатора 11 количества витков и включения обмотки точной компенсации, первый вход которого подсоединен к выходу первого преобразователя "код-ток" 9, второй и третий входы соответственно к первому и второму выходу JKRS-триггера 20 управления включением обмоток компенсации, четвертый вход к выходу первого дешифратора 10. Входы обмотки W₂ грубой компенсации соединены с выходами второго коммутатора 17 количества витков и включения обмотки грубой компенсации, первый вход которого подсоединен к выходу второго преобразователя "код-ток" 18, второй и третий входы соответственно к первому и второму выходу JKRS-триггера 20 управления включением обмоток компенсации, четвертый вход к выходу второго дешифратора 16. Регистр управления током 19 обмотки грубой компенсации выходом подключен к управляющему входу второго преобразователя "код-ток" 18, а информационным входом к третьему выходу упомянутого микропроцессорного контроллера 15. Информационные входы первого 10 и второго 16 дешифраторов соединены соответственно с первым и вторым информационными выходами микропроцессорного контроллера 15.

Микропроцессорный контроллер 15 подсоединен четвертым, пятым и шестым выходами соответственно к второму, третьему и первому управляющим входам JKRS-триггера 20 управления включением обмоток грубой и точной компенсации, седьмым информационным выходом к информационному входу выходного регистра 14. Выходы выходного регистра 14 соединены со входами блока многоразрядных цепей развязки 13.

Функционирование устройства, в котором реализован предлагаемый способ бесконтактного цифрового измерения электрического тока, происходит следующим образом. После подачи в первичную обмотку W₁ измеряемого тока J_Х, в третью обмотку W₃ точной компенсации - периодически изменяющегося ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока, начинается режим сканирования - поиска по назначенному диапазону возможного изменения измеряемого тока его фактического текущего приближенного значения с учетом знака. Шаги поиска производятся дискретным изменением ампер-витков обмотки W₂ грубой компенсации, а направление поиска - вариантом встречного включения ампер-витков обоих компенсирующих обмоток относительно первичной обмотки. Признаком перехода в режим сканирования и его продолжения является отсутствие на периоде T_П ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока точной компенсации процесса перемагничивания ферромагнитного сердечника и, как следствие, отсутствие сигналов в сигнальной обмотке W_С и на выходе усилителя-формирователя, что проявляется в отсутствие обнуляющих сигналов на S-входах первого 4 и второго 5 RS-триггеров. Оба RS-триггера, будучи переведенными в единичное состояние импульсом И_НЗ начала периода T_П ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока точной компенсации, поступившим с третьего выхода реверсивного счетчика 7 на их первые единичные входы, открывают по первому и третьему входам логическую схему И 2 для прохождения со второго выхода реверсивного счетчика 7 импульса И_КЗ конца (реверса счетчика 7) периода T_П ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока точной компенсации на шестой вход микропроцессорного контроллера 15. Эти импульсы в микропроцессорном контроллере 15 суммируются, а сумма заносится в регистр k^ОГ оперативного запоминающего устройства микропроцессорного контроллера 15 и затем через его третий информационный выход в виде двоичного числа записывается в регистр 19 управления током обмотки грубой компенсации. Это число с выхода регистра 19 поступает на вход второго преобразователя "код-ток" 18. С выхода второго преобразователя "код-ток" 18 ток подается через второй коммутатор 17 на обмотку грубой компенсации для производства дискретного шага поиска изменением ампер-витков обмотки W₂, причем количество витков обмотки грубой компенсации устанавливается с помощью второго коммутатора 17 путем подачи на его четвертый вход сигналов с выхода второго дешифратора 16, получившего со второго выхода микропроцессорного контроллера 15 определенную кодовую посылку управления.

Если при сканировании сумма k^ОГ оказывается больше K^ОГ, то с пятого выхода микропроцессорного контроллера 15 на третий счетный вход JKRS-триггера подается импульс инвертирования. JKRS-триггер переключается в противоположное устойчивое состояние и своими выходными сигналами, поступающими на второй и третий входы первого 11 и второго 17 коммутаторов, изменяет характер встречного включения обоих компенсирующих обмоток на противоположный, регистр k^ОГ микропроцессорного контроллера 15 обнуляется и вновь начинает заполняться, произошел реверс сканирования.

На одном из очередных шагов сканирования при возрастающей фазе ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока точной компенсации произойдет наконец перемагничивание ферромагнитного сердечника, и, как следствие, в сигнальной обмотке и на втором выходе усилителя-формирователя 12 появится сигнальный импульс И_В, который, во-первых, пройдя через третий вход микропроцессорного контроллера 15 осуществляет регистрацию значения k^ОГ в соответствующей ячейке k^ОГ оперативной памяти микропроцессорного контроллера 15, во-вторых, открывает первый многоканальный ключ 6 для прохождения с выхода реверсивного счетчика 7 через первый информационный вход микропроцессорного контроллера 15 в регистр k_В ^ОТ его оперативной памяти двоичного числа - значения номера ступеньки k_В ^ОТ возрастающей фазы ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока точной компенсации, на которой произошло перемагничивание, в-третьих, будучи положительным, с третьего выхода усилителя-формирователя 12 поступает на четвертый вход микропроцессорного контроллера 15 как признак отрицательной полярности измеряемого тока и заносит в знаковые разряды регистров значений измеряемых токов [J_Х] оперативной памяти микропроцессорного контроллера 15 единицу [1]_ЗН, запускает в микропроцессорном контроллере 15 алгоритм получения мантиссы кода значения величины измеряемого тока; будучи отрицательным, с четвертого выхода усилителя-формирователя 12 поступает на пятый вход микропроцессорного контроллера 15 как признак положительной полярности измеряемого тока и заносит в знаковые разряды регистров значений измеряемых токов [J_Х] оперативной памяти микропроцессорного контроллера 15 ноль [0]_ЗН, в-четвертых, переводит первый RS-триггер 4 в нулевое положение и тем закрывает логическую схему И 2 и запрещает на текущем периоде ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока точной компенсации появление на шестом входе микропроцессорного контроллера 15 сигнала И_КЗ.

На ниспадающей фазе ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока точной компенсации в момент обратного перемагничивания сердечника в сигнальной обмотке и на первом выходе усилителя-формирователя 12 появится сигнальный импульс, который открывает второй многоканальный ключ 8 для прохождения с выхода реверсивного счетчика 7 через первый информационный вход микропроцессорного контроллера 15 в регистр k_Н ^ОТ его оперативной памяти двоичного числа - значения номера ступеньки k_Н ^ОТ ниспадающей фазы ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока точной компенсации, на которой произошло обратное перемагничивание.

В микропроцессорном контроллере 15 по полученным данным k_В ^ОТ, k_Н ^ОТ, k^ОГ по алгоритму (фиг. 5) получают точное значение модуля измеряемого тока |J_X|, которое заносят в соответствующие регистры оперативной памяти микропроцессорного контроллера 15 и далее через его седьмой выход на входы выходного регистра 14, а с выхода последнего на входы блока многоразрядных цепей развязки 13.

Перечень графических материалов:
- фиг. 1. Ферромагнитный сердечник с обмотками,
- фиг. 2. Петля гистерезиса ферромагнитного сердечника,
- фиг. 3. Эпюры сигналов.

- фиг. 4. Схема устройства бесконтактного цифрового измерения электрического тока,
- фиг. 5. Схема алгоритма микропроцессорного контроллера.

Источники информации
1. Разин Г.И., Щелкин А.П. Бесконтактное измерение электрических токов. М., Атомиздат, 1974.

2. Наследов Д.Н., Зотова Н.П. Прибор для измерения постоянных токов до 40 кА. Ж-л "Электричество" N 3, 1961.

3. А. с. СССР N 292238, МКИ H 03 K 19/14, 1971.

4. Михайлов В.В. и др. Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты. М., Энергоатомиздат, 1988.

5. RU, а. с. N 2133473 C1, МКИ G 01 R 19/00, 1998.

6. Мамошин В.Р. и др. Бортовые цифровые вычислительные машины КАВ. М., ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1991.

Формула изобретения

1. Способ бесконтактного цифрового измерения электрического тока, заключающийся в том, что через первичную обмотку на ферромагнитном сердечнике пропускают измеряемый ток, через обмотку грубой компенсации этого сердечника пропускают компенсирующий ток, отличающийся тем, что через нанесенную на сердечник многосекционную обмотку точной компенсации пропускают периодически изменяющийся ступенчатый возрастающе-убывающий пилообразный ток
i_п = i_{п max}•k^ОТ/K^ОТ,
где i_{п mах} - размах ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока,
i_{п mах} ≥ 2H_s•L/W₃,
k^ОТ - текущий порядковый номер ступеньки от основания ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока i_п;
К^ОТ - полное количество ступенек на возрастающей/ниспадающей фазах периода ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока;
H_s - напряженность магнитного поля в ферромагнитном сердечнике, соответствующая границам его перемагничивания при насыщениях;
L - длина средней магнитной силовой линии;
W₃ - количество витков в обмотке точной компенсации,
с помощью нанесенной на ферромагнитный сердечник сигнальной обмотки в моменты перемагничивания сердечника результирующим магнитным потоком получают сигнальные импульсы, причем если за период ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока в сигнальной обмотке не было сигнальных импульсов, то по импульсу конца периода ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока увеличивают компенсирующий ток в обмотке грубой компенсации и/или количество витков в ней на дискретную величину Δ(i_к•W₂) ≥ H_s•L до тех пор, пока либо не появятся сигнальные импульсы, либо не будет достигнута максимальная величина J_Xmax•W₁, где J_Xmax - заданная граница измеряемого тока, W₁ - количество витков первичной обмотки, и в последнем случае характер включения обмоток грубой и точной компенсации изменяют на противоположное, ток грубой компенсации обнуляют, а затем вновь увеличивают его и/или количество витков обмотки грубой компенсации на дискретную величину вплоть до появления в сигнальной обмотке сигнальных импульсов, после чего определяют точное значение знака и величины измеряемого тока, появление положительного сигнального импульса на возрастающей фазе периода тока точной компенсации и/или отрицательного сигнального импульса на ниспадающей фазе периода тока точной компенсации используют как признак отрицательной полярности измеряемого тока, появление отрицательного сигнального импульса на возрастающей фазе периода тока точной компенсации и/или положительного сигнального импульса на ниспадающей его фазе используют как признак положительной полярности измеряемого тока, в момент появления сигнального импульса регистрируют количество сформированных для обмотки грубой компенсации дискретов Δ(i_к•W₂)k^ОГ, в момент появления сигнального импульса на возрастающей фазе периода тока точной компенсации регистрируют номер ступеньки k_В ^ОТ, в момент появления сигнального импульса на ниспадающей фазе периода тока точной компенсации регистрируют номер ступеньки k_Н ^ОТ, и по алгоритму

получают точное цифровое значение модуля измеряемого тока.

2. Устройство бесконтактного цифрового измерения электрического тока, содержащее ферромагнитный сердечник с первичной обмоткой и обмоткой грубой компенсации, отличающееся тем, что обмотка грубой компенсации выполнена многосекционной, на ферромагнитный сердечник дополнительно нанесены многосекционная обмотка точной компенсации, сигнальная обмотка, дополнительно введены трехвходовая логическая схема И, генератор тактовых импульсов, два RS-триггера, два многоразрядных ключа, реверсивный счетчик ступенек периодического ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока точной компенсации, два преобразователя "код-ток", два дешифратора, микропроцессорный контроллер, реализующий алгоритм, представленный на схеме фиг.5 в описании, два коммутатора количества витков и включения обмоток компенсации, усилитель-формирователь сигнальных импульсов, регистр управления током обмотки грубой компенсации, JKRS-триггер управления включением обмоток грубой и точной компенсации, выходной регистр, блок многоразрядных цепей развязки, блок питания, при этом выходы сигнальной обмотки подключены к первому и второму входу усилителя-формирователя сигнальных импульсов, выходы которого подсоединены первый к управляющему входу первого многоразрядного ключа и S-входу второго RS-триггера, второй к управляющему входу второго многоразрядного ключа и S-входу первого RS-триггера, третий и четвертый, соответственно, к третьим и четвертым входам микропроцессорного контроллера, реверсивный счетчик ступенек периодического ступенчатого возрастающе-убывающего пилообразного тока точной компенсации связан первым входом с выходом генератора тактовых импульсов, обнуляющим входом с синхронизирующим входом, информационным выходом с первыми информационными входами первого и второго многоразрядных ключей и информационным входом первого преобразователя "код-ток", вторым выходом со вторым входом логической схемы И, третьим выходом с R-входами обоих RS-триггеров, четвертым выходом с синхронизирующим выходом, выходы первого и второго RS-триггеров подключены к первому и третьему входам логической схемы И соответственно, выход логической схемы И подсоединен к шестому входу микропроцессорного контроллера, информационные выходы первого и второго многоразрядных ключей связаны с первым и вторым информационными входами микропроцессорного контроллера, соответственно, входы обмотки точной компенсации подключены к выходам первого коммутатора количества витков и включения обмотки точной компенсации, первый вход которого подсоединен к выходу первого преобразователя "код-ток", второй и третий входы, соответственно, к первому и второму выходу JKRS-триггера управления включением обмоток компенсации, четвертый вход к выходу первого дешифратора, входы обмотки грубой компенсации соединены с выходами второго коммутатора количества витков и включения обмотки грубой компенсации, первый вход которого подсоединен к выходу второго преобразователя "код-ток", второй и третий входы, соответственно, к первому и второму выходу JKRS-триггера управления включением обмоток компенсации, четвертый вход к выходу второго дешифратора, регистр управления током обмотки грубой компенсации выходом подключен к управляющему входу второго преобразователя "код-ток", а информационным входом к третьему выходу упомянутого микропроцессорного контроллера, информационные входы первого и второго дешифраторов соединены соответственно с первым и вторым информационными выходами микропроцессорного контроллера, микропроцессорный контроллер подсоединен четвертым, пятым и шестым выходами соответственно к второму, третьему и первому управляющим входам JKRS-триггера управления включением обмоток грубой и точной компенсации, седьмым информационным выходом к информационному входу выходного регистра, выходы выходного регистра соединены со входами блока многоразрядных цепей развязки.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5