Измерительный преобразователь постоянного тока пакета шин

 

Изобретение относится к измерениям электрических величин, в частности к измерению больших постоянных токов свыше 50 кА. Преобразователь содержит несколько измерительных каналов и несколько измерительных элементов, которые размещены на немагнитной рамке, охватывающей пакет шин. Каждый измерительный канал включает концентратор магнитного поля в виде магнитопровода, состоящего из двух П-образных сердечников. На той стороне магнитопровода, где размещена намагничивающая обмотка, в зазоре магнитопровода расположен датчик Холла. В каждый измерительный канал введен узел слежения за аналоговым напряжением с помощью дополнительного запоминающего устройства. Запоминающее устройство фиксирует напряжение, пропорциональное измеряемому току, точно в момент равенства магнитного потока от измеряемого тока и компенсирующего магнитного потока, создаваемого намагничивающей обмоткой. Узел слежения за аналоговым напряжением позволяет уменьшить погрешность при выполнении операции формирования выборки мгновенного значения аналогового напряжения, пропорционального измеряемому току. 5 ил.

Изобретение относится к измерениям электрических величин, в частности к измерению больших постоянных токов свыше 50 кА.

Известно устройство для измерения больших постоянных токов (см. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Л.: Энергоатомиздат, 1987. С.65-66), содержащее ферромагнитный сердечник, охватывающий пакет шин измеряемого тока, компенсирующие обмотки, расположенные на секциях ферромагнитного сердечника, датчики Холла, расположенные в зазорах между секциями ферромагнитного сердечника, усилители аналоговых сигналов, соединенные с компенсационными обмотками.

Это устройство позволяет измерять большие постоянные токи с большой точностью, но при этом характеризуется большим расходом материала при его изготовлении (стали, меди), а также большим потреблением энергии при их эксплуатации.

Наиболее близким к предлагаемому решению является измерительный преобразователь постоянного тока пакета шин, содержащий n измерительных каналов, размещенных на неферромагнитной рамке, сигналы которых суммируются (см. патент 1713364, Россия), принятый в качестве прототипа. В каждом канале используется метод развертывающего преобразования, основанный на фиксации значений магнитной индукции измеряемого тока с помощью создания компенсирующего магнитного поля в течение интервала стробирования по сигналу с выхода датчика магнитного поля.

Такое устройство позволяет расширить диапазон измерения тока, уменьшить потребляемую мощность и вес устройства.

Недостатком устройства является возникновение погрешности преобразования вследствие появления погрешности выборки, связанной с тем, что за интервал стробирования аналоговое напряжение, подаваемое на запоминающее устройство, меняется, что приводит к неоднозначности определения выходного напряжения (в пределах Δu (фиг.1)), поскольку оно зависит от времени стробирования.

Сущность изобретения состоит в стремлении получить технический результат, заключающийся в повышении точности преобразования тока за счет снижения погрешности при выполнении операции формирования выборки мгновенного значения аналогового напряжения, пропорционального измеряемому току.

Указанный технический результат достигается в известном измерительном преобразователе больших постоянных токов пакета шин, содержащем n измерительных каналов, сумматор, немагнитную рамку, на которой на равных промежутках размещены n измерительных элементов, выходы которых соединены с входами сумматора, а выход последнего является выходом всего устройства, причем каждый измерительный канал включает концентратор магнитного поля в виде магнитопровода, состоящего из двух П-образных сердечников, в зазоре которого на стороне магнитопровода, где размещена намагничивающая обмотка, расположен датчик Холла, один из выходных зажимов последнего соединен с земляной шиной, а другой - с формирователем импульсов, выход которого соединен с входом управления устройства выборки-хранения (УВХ), причем выход УВХ является выходом измерительного элемента, один из выводов намагничивающей обмотки через резистор соединен с земляной шиной, другой вывод намагничивающей обмотки соединен с генератором пилообразного напряжения, особенность заключается в том, что общий вывод намагничивающей обмотки и резистора соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя (ОУ), выход которого через первый и второй ключи соединен с инвертирующим входом первого ОУ, который через второй ключ и запоминающий конденсатор соединен с земляной шиной, общая точка соединения первого и второго ключей через повторитель напряжения на основе второго ОУ соединена с входом УВХ, выход формирователя импульсов соединен с входом управления первого и второго ключей.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном способе, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию “новизна”.

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию “изобретательский уровень” заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного способа. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “изобретательский уровень”.

На фиг.1 и 5 приведены временные диаграммы, поясняющие работу предлагаемого устройства, на фиг.2 - схема устройства, на фиг.3 показано размещение измерительных элементов, на фиг.4 показана схема устройства выборки-хранения.

Устройство (фиг.2) содержит: магнитопровод 1, состоящий из двух П-образных сердечников, в зазоре которого на стороне магнитопровода, где размещена намагничивающая обмотка 2, расположен датчик Холла 3; генератор переменного тока 4; резистор 5; формирователь импульсов 6; первый операционный усилитель (ОУ) 7; первый 8 и второй 9 ключи; запоминающий конденсатор 10; повторитель напряжения 11 на основе второго ОУ; устройство выборки-хранения (УВХ) 12; сумматор 13.

Измерительный преобразователь работает следующим образом. Измеряемый ток I пакета шин 14 (фиг.3) определяется по закону полного тока выражением

где К - коэффициент пропорциональности;

Вτ_p - тангенциальная составляющая магнитной индукции в точках размещения измерительных элементов;

n - количество измерительных элементов.

При записи выражения (1) учтено, что при реализации описываемого устройства операция интегрирования заменяется операцией суммирования. При этом методическая погрешность измерения уменьшается с помощью увеличения числа n измерительных элементов при их равномерном и симметричном расположении.

Измерительные элементы функционируют следующим образом. Для концентрации магнитного потока с целью увеличения чувствительности в точках размещения измерительных элементов служит магнитопровод 1. Ток генератора 4, протекая по обмотке 2, создает в магнитопроводе 1 компенсирующий магнитный поток Ф_к, направленный в рабочей части магнитопровода навстречу основному потоку Ф₀. В момент равенства потоков (фиг.5а) формирователь 6 вырабатывает кратковременный импульс (фиг.5б) длительностью τ, подаваемый на входы управления первого 8, второго 9 ключей и УВХ 12.

Падение напряжения u_к (фиг.5 в) на резисторе 5 при протекании тока от источника 4 в момент равенства (t_к) указанных выше магнитных потоков прямо пропорционально основному магнитному потоку в месте установки измерительного элемента:

где k - коэффициент пропорциональности.

Напряжение с резистора 5 подается на первый ОУ 7, который при замкнутых первом 8 и втором 9 ключах работает в режиме повторителя напряжения, поэтому напряжение на выходе последнего, т.е. на запоминающем конденсаторе 10, равно напряжению на резисторе 5, в частности в момент t_к равенства магнитных потоков оно определяется выражением (2). Таким образом, производится слежение за напряжением на резисторе 5. В момент времени t_к по сигналу с выхода формирователя 6 ключи 8 и 9 размыкаются, чем обеспечивается запоминание (в соответствии с выражением (2)) мгновенного значения напряжения на резисторе 5 с помощью конденсатора 10 точно в моменты времени равенства магнитных потоков, поэтому, в отличие от известных решений, устраняется неоднозначность определения напряжения на резисторе 5, поскольку в данном случае погрешность формирования выборок (в отличие от известных решений) зависит только от времени переключения ключей 8 и 9 (их можно выбрать быстродействующими со временем выключения меньше 1 мкс), а не от постоянных времени RC цепочек.

Далее напряжение (2) через повторитель напряжения на основе ОУ 11 подается на вход УВХ 12, которое в течение времени τ (время действия импульса формирователя 6) запоминает это напряжение, которое подается далее на сумматор 13. На другие входы сумматора поступают сигналы от других измерительных элементов. Выходное напряжение сумматора 13 пропорционально измеряемому току в соответствии с выражением (1).

Формирователь импульсов 6 может быть выполнен на основе одновибратора (ждущего мультивибратора), а УВХ 12 - по известной схеме на основе ОУ и ключа, приведенной на фиг.5.

Вышеизложенное свидетельствует, что для заявленного решения в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов, а также - достижения предусмотренного технического результата, заключающегося в повышении точности преобразования тока за счет снижения погрешности при выполнении операции формирования выборки мгновенного значения напряжения на резисторе 5.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “промышленная применимость”.

Формула изобретения

Измерительный преобразователь больших постоянных токов пакета шин, содержащий n измерительных каналов, сумматор, немагнитную рамку, на которой на равных промежутках размещены n измерительных элементов, выходы которых соединены с входами сумматора, а выход последнего является выходом всего устройства, причем каждый измерительный канал включает концентратор магнитного поля в виде магнитопровода, состоящего из двух П-образных сердечников, в зазоре которого на стороне магнитопровода, где размещена намагничивающая обмотка, расположен датчик Холла, один из выходных зажимов последнего соединен с земляной шиной, а другой - с формирователем импульсов, выход которого соединен с входом управления устройства выборки-хранения (УВХ), причем выход УВХ является выходом измерительного элемента, один из выводов намагничивающей обмотки через резистор соединен с земляной шиной, другой вывод намагничивающей обмотки соединен с генератором пилообразного напряжения, отличающийся тем, что общий вывод намагничивающей обмотки и резистора соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя (ОУ), выход которого через первый и второй ключи соединен с инвертирующим входом первого ОУ, который через второй ключ и запоминающий конденсатор соединен с земляной шиной, общая точка соединения первого и второго ключей через повторитель напряжения на основе второго ОУ соединена с входом УВХ, выход формирователя импульсов соединен с входом управления первого и второго ключей.

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