Амперметр действующего значения электрического тока

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

<щ789785

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к евт. свид-ву,— (22) Заявлено 260376 (21) 2338450/18-21 с присоединенивм заявки М2(23) Приоритет

Опубликовано 23.12.80. Бюллетень М 47 (5))М К 3

G 01 R 19/02

Госудврствеивый комитет

СССР яо лелем изобретеииЯ откритиЯ (53) УДК б21.317. .725(088.8) Дате опубликования описания 23,1280 (72) Авторы изобретения

A.Ë. Шпади, М.И. Белый и С.Д. Шпаги ульяновский политехнический институт (71) Заявитель (54) АМПЕРМЕТР ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ

ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Изобретение относится к электроиэмерительной технике.

Известны измерительные преобразователи действующего значения электрического напряжения и тока, содержащие измерительный трансформатор, выходная обмотка которого соединена через полупроводниковый выпрямитель и индикатор с квадратичным детектором на диодно-резистивной цепочке с кусочно-гладкой аппроксимацией, подключенным к эталонному источнику постоянного напряжения t1) .

Однако данное устройство имеет сложную конструкцию квадратичного детектора, требует особой стабильности эталонного источника постоянного напряжения. и способно преобразовывать при трансформаторной развяэ ке измерительных цепей действующие значения только переменного тока и напряжения.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет измерения тока с постоянной составляющей, а также повышение надежности и стабильности работы прибора.

Поставленная цель достигается тем, что амперметр действующего значения электрического тока, содержащий измерительный трансформатор с входной и выходной обмотками и

;индикатор среднего значения, подклю5 ченный к выпрямителю, снабжен балансным интегратором, транзисторным каскадам с двумя диодами и времязадающей цепью, состоящей из последовательного соединения резистора и

10 конденсатора, причем сердечники измерительного трансформатора выполнены прафилированными и на них расположены включенные попарно последовательно-встречно две секции коллекторной обмотки транзисторного каскада и две секции, обмотки обратной связи, подключенные соответственно через первый диод к базе и через цепь, состоящую из времяэадающего

Я@ конденсатора и второго диода — к эмиттеру транзисторного каскада, а выходная обмотка трансформатора, также состоящая из двух секций, подключена к выпрямителю через баланс-

25 ный интегратор, причем каждая из двух тороидальных частей сердечника измерительного трансформатора состоит из отдельных ферромагнитных колец из материала с прямоугольной петлей

30 гистерезиса, имеющих сечение, пропор789785 циональное радиусу кольца и коэрцитинной силе материала с общим количеством колец, равным количеству участков аппроксимации вебер-амперной квадратичной характеристики преобразования измерительного трансформа- 3 тора.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема амперметра; на фиг. 2 — поперечный разрез измерительного трансформатора амперметра; на фиг. 3 — р эпюры напряжений и токов в различных точках схемы амперметра.

Амперметр действующего значения электрического тока содержит измерительный трансформатор 1,профилиронанный по сечению, сердечник

И которого выполнен из двух тороидальных частей 2 и 3, причем каждая из этих частей может быть набрана из отдельных ферромагнитных колец 4, изготовленных из материала с прямо- 30 угольной петлей гистерезиса, с переменным сечением. На обе части 2 и 3 сердечника намотаны включенные попарно последовательно-встречно две секции 5 и б обмотки обратной связи и две секции 7 и 8 коллекторной обмотки транзисторного каскада адаптивного генератора импульсов тока.

Транзисторный каскад адаптивного генератора импульсов тока собран на транзисторе 9 по схеме блокинггенератора, в коллекторной цепи которого, помимо секций 7 и 8 коллекторной обмотки, включен ограничительный резистор .10, а в базовую цепь, помимо секций 5 и б обмотки обратной связи, включен предохранительный диод 11. Времязадающий конденсатор

12 транзисторного каскада, зашунтированный фиксирующим диодом 13, 40 подключен одним концом к эмиттеру транзистора 9 и одному полюсу источни ка питания, а другим концом — к общему выводу соединения обмотки обратной с яви и вреМяэадающего ре- 4$ зистора 14, подключенного также к связанному с другим полюсом источника питания; выводу коллекторной обмотки измерительного трансформатора 1, секции 15 и 16 выходной обмотки gp которого соединены последовательносогласно между собой, и включены последовательно с потенциомвтром 17.

Причем секции 5 и б обмотки обратной связи, секции 7 и 8 коллекторной обмотки и секции 15 и 16 выходной обмотки намотаны на каждой иэ частей 2 и 3 сердечника йзмерительного трансформатора 1 в отдельности, в то время как входная обмотка 18,которая выполнена в виде 40 крепежного винта с токопроводящими контактами, охватывает обе части 2 и 3 сердечника одновременно. Средний вывод потенциометра 17 и сРедний вывод соединения секций 15 и 16 выход- ной обмотки подключены к конденсатору

19 емкостного балансного интегратора, который включает н себя также потенциометр 17. Индикатор среднего значения 20, подключен к выходу балансного интегратора, параллельно конденсатору 19, через последовательно соединенные диод 21 однополупериодного выпрямителя и переменный резистор 22 регулировки чувствительности индикатора среднего значения. Усилитель напряжения телеметрического канала, собранный по схеме с общей базой на транзисторе 23, нагружен на выходной кабель 24 этого канала, в то время как вход усилителя подключен к последовательно соединенным индикатору среднего значения 20 и диоду 21 однополупериодного выпрямителя, причем полярность включения диода 21 противоположна полярности включения перехода эмиттер-база транзистора 23.

В процессе работы амперметра действующего значения электрического тока, транзистор 9 периодически открынается за счет блокинг-процесса н его базовой цепи, н которой нключен предохранительный диод 11, препятствующий попаданию на базу транзистора 9 большого обратного напряжения, и по секциям 7 и 8 коллекторной обмотки измерительного трансформатора 1 протекают импульсы тока с амплитудой намагничинающей силы, не менее чем вдвое превышающей максимальные амплитудные значения намагничивающей силы измеряемого электрического тока произвольной формы (фиг.3 а) который протекает по секции 16 выходной обмотки измерительного трансформатора 1, причем амплитуда им-, пульсон напряжения транзисторного каскада (фиг. 3 в) ограничивается до необходимой величины резистором 10.

Временные параметры транзисторного каскада адаптивного генератора импульсов тока определяются режимом намагничивания и величиной намагниченности от входного тока 7 обеих х частей 2 и 3 сердечника измерительноно трансформатора, а также величинами времязадающей цепи из конденсатора 12.и резистора 14, но в отличии от обычного блокинг-генератора, у которого намагниченность сердечника не меняется от импульса к импульсу, намагниченность сердечника измерительного трансформатора 1 амперметра изменяется при изменении измеряемого электрического тока 3 „, и за счет уменьшения времени перезаряда времязадающего конденсатора 12 включением параллельно ему фиксирующего диода

13, достигается адаптивное изменение периода срабатывания транзисторного каскада, пропорциональное изменениг величины измеряемого тока.

789785

В отсутствии измеряемого тока обе части 2 и 3 сердечника измерительного трансформатора 1 по существу не изменяют своего магнитного состояния, так как уже первый импульс тока в секци-. .ях 7 и 8 коллекторной обмотки перемагничивает обе части 2 и 3 сердеч1ника в насыщенное магнитное состояние, которое не изменяется между импульсами тока, вследствие наличия прямоугольной петли гистерезиса у материала сердечника. Период срабатывания в этом случае определяется перемагничиванием обеих частей 2 и 3 сердечника по насыщенному участку прямоугольной петли гистерезиса, а импульсы тока в секциях 15 и 16 вы- 15 ходной обмотки имеют противоположную полярность и могут быть скомпенсированы в балансном интеграторе амперметра.

При протекании измеряемого тока,2О

3 „ по входной обмотке 18 измерительного трансформатора 1, на каждом периоде спада импульса тока в секциях

7 и 8 коллекторной обмотки транзисторного каскада, магнитное поле в обеих частях 2 и 3 сердечника измерительного трансформатора 1 изменяется до величины, соответствующей максимальной мгновенной амплитуде входного тока. Так как магнитное поле в тороидальном сердечнике убывает от 30 центра к краям, то в той части сердечника, в которой магнитное поле, создаваемое измеряемым током, и маг нитное поле, создаваемое током подмагничивания в данном цикле измере- 35 ния противоположны, происходит постепеннов перемагничивание из одного магнитного состояния в другое определенного объема сердечника, или же для сердечника, набранного иэ отдельных ферромагнитных колец 4, поочередное перемагничиванив этих колец, в то время как в другой части сердечника — такого перемагничивания нв происходит, вследствие встречного включения секций 7 и 8 коллекторной обмотки измерительного трансформатора 1. Когда направление электрического тока изменяется, перемагничивание будет происходить в другой части сердечника.

Благодаря тому, что изменение профиля сечения сердечника или же сечения и коэрцитивной силы материала ферромагнитных колец 4, пропорционально возрастанию радиуса перемаг- 55 ничивающего входным током объема сердечника или же радиуса ферромагнитных колец 4, изменение магнитного ,потока в той части сердечника, в которой происходит перемагничивание. пропорционально удвоенным величинам 40 квадратов мгновенных значений измеряемого тока, так как перемагничивающийся объем сердечника пропорционален квадрату амплитуды измеряемого тока в данный момент, а перемагничи- 65 вание в сердечнике происходит дважды эа каждый цикл измерения.

Квадратичная зависимость изменения магнитного потока от величины входного тока ЭВ„ получается за счет соответствующего профилирования сечения вдоль его радиуса.

Использование отдельных ферромагнитных колец 4 с переменным сечением в сердечнике измерительного трансформатора позволяет получить квадратичную зависимость изменения магнитного потока от величины входного тока с кусочно-гладкой аппроксимацией и общим количеством участков аппроксимации, равным количеству ферромагнитных колец 4 в каждой части 2 и 3 сердечника измерительного тран- сформатора 1, а изменение коэрцитивной силы материала ферромагнитных колец 4 позволяет расширить диапазон преобразования измерительного трансформатора 1 амперметра.

Поскольку частота транзисторного каскада амперметра зависит от намагниченности сердечника, то при быстром изменении входного тока происходит более частый опрос кривой входного тока, т.е. погрешность от квантования во времени в этом случае почти такая же, как при постоянном или медленно меняющемся уровне входного тока, когда частота транзисторного каскада не меняется или меняется незначительно.

При этом имеем обратно пропорциональную зависимость изменения частоты транзисторного каскада в пределах рабочего диапазона от уровня намагниченности, создаваемой входным током.

В процессе перемагничивания сердечника измерительного трансформатора 1 в секциях 15 и 16 выходной обмотки наводятся импульсы напряжения, вольт-секундная площадь которых определяется произвольной от соответствующих маг- нитных потоков, Поэтому, учитывая также что частота транзисторного каскада изменяется в процессе работы, для реализации операции возведения в квадрат мгновенных значений измеряемого тока с незначительной погрешностью, необходимо совершить обратйую операцию интегрирования, которая осуществляется при помощи балансного интегратора на потенциометре

17 и конденсаторе 19 (фиг. 3 с) °

После балансного интегратора, через диод 21 однополупериодного выпрямителя и переменный резистор 22 регулировки чувствительности, на индикатор среднего значения .20 поступают импульсы напряжения 0В одной полярности (фиг. Зд), в то время, как импульсы напряжения ОВыл2 другой полярности (см.фиг. 3 е), через переменный резистор 22 регулировки чувствительности и транзистор 23 усилителя напряжения, поступают в. 789785 кабель 24 телеметрического канала, причем средние значения óð и Устаз импульсов, напряжения Иэ,, и Уэйр пропорциональны сумме квадратов мгновенных значений измеряемого электрического тока.

Таким образом, в амперметре реализуется вычисление известного выражения — З.dt =

1 т 1

tO где 3д - показания действующего значения электрического тока индикатора амперметра

- число измерений эа период, Т - период измеряемого тока

- мгновенные значения измеряеЧ мого тока.

Предложенный амперметр действующего значения элект;рического тока, не уступая лучшим известным устройствам на квадратичных детекторах по точнооти и рабочему диапазону, имеет расширенные функциональные возможности за счет способности измерять действующее значение электр-25 ческого тока при наличии постоянной составляющей, и более высокую надежность и стабильность параметров, . за счет устранения иэ схемы прибОра эталонного источника напряжения, 30 в то время как к напряжению питания используемого в амперметре не предъявляется жестких требований по стабильности.

Формула изобретения 3$

1. Амперметр действующего значения электрического тока, содержащий измерительный трансформатор с входной и выходной обмотками И индикатор среднего значения, подключенный к выпрямителю, о т л и ч а ющ и и .с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет измерения тока с постоянной .составляющей, а также повышения надежности и стабильности работы, он снабжен балансным интегратором, транзисторным каскадом с двумя диодами к времяэадающей цепью, состоящей из последовательного соединения резистора и конденсатора, причем сердечники измерительного трансформатора выполнены профилированными и на них расположены включенные попарно последовательно-встречно две секции коллекторной обмотки транзисторного каскада и две секции обмотки обратной связи, подключенные соответственно через первый диод к базе и через цепь, состоящую из времязадающего конденсатора и второго диода— к эмиттеру транзисторного каскада, а выходная обмотка трансформатора, также состоящая иэ двух секций, подключена к выпрямителю через балансный интегратор.

2. Амперметр по п. 1, о т л ич а ю шийся тем,чго каждая из двух тороидальных частей сердечника измерительного трансформатора состоит из отдельных ферромагнитных колец из материала с прямоугольной петлей гистереэиса, имеющих сечение, пропорциональное радиусу кольца и козрцитивиой силе материала с общим количеством колец, равным количеству участков аппроксимации вебер-амперйой квадратичной характеристики преобразования измерительного трансформатора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Савенко В.Г. Измерительная техника, И., "Высшая школа", 1974, 18