Устройство для измерения постоянного тока

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 27.02. 81 (21) 3291625/18-21 (51) М. КЛ.

G 01 R 19/20 с присоединением заявки М9 (23) Приоритет—

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий (33) УДК 821.317.7(088.8) Опубликовано 30.10.82. Бюллетень МВ 40

Дата опубликования описания 30.10.82

Н.И. Грибок, Е.И.Шморгун, В.A...Яцук, О. Б.Сок в, В.Л.Кузнецов и A.Á.Ñàìñîíîâ

1 (72) Авторы изобретения

Львовский ордена Ленина политехнический институт. им. Ленинского комсомола и Институт физики металлов Уральского научного центра AH СССР (71 Заявители (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОСТОЯННОГО

ТОКА

Устройство относится к электроизмерительной технике и моя<ет быть использовано для бесконтактного измерения постоянного тока и поверки различных измерителей тока.

Известно устройство для измерения постоянного тока, содержащее магнитный модулятор, индикаторная обмотка которого через пассивный фильтр, усилитель переменного тока и фазовый детектор подсоединена к блоку обратной связи и отсчетному блоку, обмотка возбуждения через усилитель и делитель частоты подключена к задающему генератору, который соединен с управляющим входом фазового детектора. Постоянный ток пропускают через измерительную -обмотку

И.

Недостатком этого устройства является зависимость преобразовываемого сигнала от коэффициентов передачи магнитного модулятора, пассивного фильтра, усилителя переменного тока, фазового детектора, блока обратной связи и отсчетного блока, а также от напряженности внешних магнитных полей.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для измерения постоянного тока, содержащее магнитный модулятор, состоящий из двух магнигных сердечников, на которых намотаны обмотки возбуждения, обмотка обратной связи, измерительная обмотка и индикаторная обмотка. Обмотки возбу><дения подключены к генератору импульсов. Индикаторная обмотка подсоединена к избирательному усилителю, выход которого через аналого-цифровой преобразователь и цепь обратной связи подключен к обмотке обратной связи. Выход аналого-цифрового преобразователя соединен с цифровым отсчетным блоком, а блок управления управляет работой аналого-цифрового преобразователя и цифровым отсчетным блоком 121.

Недостатком этого устройства яв20 ляется низкая точность измерения, обусловленная тем, что погрешность измерения тока зависит от изменения коэффициента передачи по цепи обратной связи, погрешности от изменения

25 коэффициента преобразования прямой цепи, погрешности от изменения сопротивления входного шунта и погрешности, обусловленной влиянием внешних магнитных полей. Основным спосо

30 бом уменьшения погрешности от не970247 стабильности коэффициента преобразования прямой цепи является применение глубокой отрицательной обратной связи, Однако увеличение глубины отрицательной обратной связи снижает коэффициент преобразования измерите- 5 ля тока и приводит к ухудшению динамических характеристик схемы вплоть до нарушения устойчивости, т.е. потери работоспособности. Погрешность от изменения коэффициента передачи по цепи обратной связи зависит от временной и температурной нестабиль-( ности сопротивлений в цепи обратной связи и ее уменьшение связано с технологическими трудностями. Внешние магнитные поля аддитивно влияют на результат измерения тока, преобразуемого магнитным модулятором в постоянное магнитное поле. Для уменьшения их влияния необходимо тщательное магнитное экранирование,, в частности магнитный модулятор указанного устройства заключен в тройной пермаллоевый экран. Магнитные экраны в основном изготовляют из пермаллоев, технологическая обработка которых . сложна. Погрешность, связанная с изменением сопротивления входного шунта, определяется его температурной и временной нестабильностью.

Цель изобретения — повышение точности измерения постоянного тока.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения постоянного тока, содержащее магнитный З5 модулятор, состоящий из двух магнитных сердечников, на которых намотаны обмотки возбуждения, подключенные к первому выходу генератора импульсов, измерительная обмотка, обмотка 40 обратной связи, индикаторная обмотка, подсоединенная к основному входу избирательного усилителя, выход которого подключен к входу аналогоцифрового преобразователя и через 45 цепь обратной связи - к обмотке обратной связи, блок управления, первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам аналогоцифрового преобразователя и цифрового отсчетного блока, причем второй выход генератора импульсов соединен с вторым Входом избирательного усилителя, дополнительно введены три ключа, образцовая и дополнительная обмотки, обмотка смещения, генерах рр тока, смещения, переменный резистор, цйфровой делительный блок и блок управления ключами, причем образцовая обмотка через первый ключ соединена с источником образцового 00 тока, дополнительная обмотка, переменный резистор и второй ключ соеди нены последовательно и подключены параллельно измерительной обмотке, обмотка смещения соединена с генера- 1 5 тором тока смещения, вход цифрового делительного блока соединен с выходом аналого-цифрового преобразователя, а выход — с входом цифрового отсчетного блока, третий ключ соединен последовательно с измерительной обмоткой, вход блока управления ключами соединен с третьим выходом блока управления, а выход — o управляющими входами трех ключей, при этом четвертый выход блока управления подключен к управляющему входу цифрового делительного блока.

На чертеже представлена блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит магнитный модулятор 1, состоящий иэ двух магнитных сердечников 2 и 3, на которых намотаны обмотки.4 и 5 возбуждения, измерительная 6, дополнительная 7, образцовая 8 и индикаторная 9 обмотки, обмотки обратной связи 10 и

-смещения 11. Обмотки 4 и 5 возбуж= дения подключены к генератору 12 импульсов, который соединен с избирательным усилителем 13. Образцовая обмотка 8 через первый ключ 14 соединена с источником 15 образцового тока. Параллельно измерительной обмотке 6 подключена дополнительная цепь, состоящая из последовательно соединенных дополнительной обмотки

7, переменного резистора 16 и второго ключа 17. Обмотка 11 смещения подсоединена к генератору 18 тока смещения. Индикаторная обмотка 9 подключена к избирательному усилителю 13, выход которого через аналогоцифровой преобразователь 19 и цепь

20 обратной связи соединен с обмоткой 10 обратной связи. Выход аналого-цифрового преобразователя 19 подключен через цифровой делительный блок 21 к цифровому отсчетному блоку

22. Третий ключ 23 последовательно соединен с измерительной обмоткой

6. Блок управления подключен к аналого-цифровому преобразователю 19, цифровому делительному блоку 21, цифровому отсчетному блоку 22 и бло. ку 25 управления ключами, который подсоединен к ключам 14,17 и 23 и управляет их работой.

Устройство имеет два режима работы:

"Измерение" и "Установка нуля".

В режиме "Измерение" ключ 23 замкнут и измерение тока производят периодически за четыре такта.

Измеряемый ток ?х протекает через измерительную обмотку 6. От генератора 18 тока смещения через обмотку

11 смещения во всех тактах протекает ток смещения I . Генератор 12 импульсов во всех тактах подает импульсы возбуждения на обмотки 4 и 5 и синхроимпульсы на избирательный усилитель 13. Импульсы возбуждения приводят магнитные сердечники 2 и 3.970247 в насыщение дважды за период, причем создают в этих сердечниках противоположно направленные магнитные потоки.

В первом такте измерения сигналом с блока 24 управления с помощью блока 25 управления ключами размыкают ключи 14 и 17. Магнитным модулятором преобразуют напряженности внешних и внутренних (создаваемых измеряемым током и током смещения) постоянных магнитных полей н ЭДС четных гармоник частоты возбуждения, наводимых в индикаторной обмотке 9. Из всего спектра частот с помощью изби-. 5 рательного усилителя 13 отфильтровы-" вают, усиливают и преобразуют н поcToBHHblA. ток только вторую FdpMQ шку. Полученный постоянный ток

20 подают на цепь 20 обратной связи, которая преобразует его в ток обратной связи, протекающий по обмотке 10 отрицательной обратной связи . Одновременно этот постоянный ток с помощью аналого-цифрового пре,образователя 19 преобразуют в коли:; честно импульсов,- которое записывают в цифровом делительном блоке 11.

+ с см ) мм ХНУ д "х= "/ во втором такте иэмереиия замыкают ключи 14 и 17 ° Через образцовую обмотку 8 пропускают образцовый ток

?б от источника 15 тока. С помощью

-ключа 17 подсоединяют дополнительно цепь параллельно измерительной обмот;ке б и компенсируют ее ампернитки.

Для этого выбирают количество витков дополнительной обмотки 7 и величину сопротивления переменного резистора

1б такими, чтобы ампернитки измерительной б и дополнительной 7 обмо- 40 ток были равны. Кроме этого, дополнительную обмотку 7 включают встреч.— но по отношению к измерительной обмотке б, таким образом обмотки б и

7 создают в сердечниках 2 и 3 равные 45 по величине, но противоположные по направлению, магнитные потоки и,следовательно, результирующий магнитный поток создаваемый ими н сердечниках 2 и 3, равен нулю. Также как и в первом такте, но втором такте измерения напряженности внешних и внутренних (создаваемых образцовым током и током смещения) постоянных магнитных полей с помощью указанных выше блоков преобразуют н количество импульсов и записывают в цифровой делительный блок 21.

ОС

Chh дН

ПУ

Н 1 ° И 1

Н =I ° Ж /1 см см

>ам

Ток обратной связи определяется выражением I „= p I„, где Д вЂ” ко65 эффициент передачи цейи 20 обратной

В третьем такте измерения размыкают ключ 14 и преобразуют напряженности внешнего поля и магнитного поля, создаваемого током смещения, в количестно импульсов, которое, как и раньше, записывают н цифровой делительный блок 21

В четвертом такте производят обработку результатов измерения предыдущих тактов. Из результатов измерения, . записанных в первых двух тактах,, вычитают результат измерения, записанный в третьем такте, и делят первую полученную разность на вторую.

Частное от деления высвечивают на цифровом отсчетном блоке 22 как,результат измерения постоянного тока.

В первом такте на вход аналогоцифрового преобразователя 19 подают ток ?4

I, „-(Н„„-НО„.Нс„+ Н)К К„„- + (l x W to,%oc напряженность постоянного магнитного поля создаваемая измеряемым током 1Х протекающим через измерительную обмотку б с числом витков Е, ; — длина средней магнитной линии сердечника; ток, протекающий через обмотку 10 обратной связи с числом витков ос ток генератора тока смещения, протекающий через обмотку 11 смещения с числом витков И „„; напряженность магнитного поля в сердечниках, создаваемая нне" шними магнитными полями; коэффициент преобразования избирательного усилителя 13; напряженность постоянного магнитного поля создаваемая током

1 напряженность поля смещения; коэффициент передачи магнитного модулятора 1

970 247

+1см,„ Н.Е), 50 связи. Подставив значение тока Г с. в уравнение (1), определим ток 1ч рс (2)

y x x+ c ° - "-

К Кнч (1 1 + Рос Кмн, К нч ос

На выходе аналого-цифрового преобразователя 19 ток 1 преобразуется в число импульсов N

Е+кКнч, ар, где 1(— коэффициент преобразования

ДЦР аналого-цифрового преобразователя.

Во втором такте через образцовую обмотку 8 с числом витков W пропускают ток I от источника 15 обО

Ф» 1 раэцового тока. Ъмпервитки Ix. 4< компенсируют с помощью ампервитков

I И, так как параллельно иэмерительйой обмотке 6 подключают дополнительную цепь из последовательно соединенных дополнительной обмотки

7 и переменного резистора 16 (при этом удается избежать коммутации цепи измеряемого тока I>).

Таким образом, во втором такте выполняют условие (4) It 1 (н и (1 +R

1К+К ж " g. +R"+К » » - » » »» ® )=> где R, 1Г, R - соответственно активные сопротивления обмоток 6 и 7 и переменного резистора

16.

В результате напряженность посто янного магнитного поля в сердечниках, преобразованная в число импуль,сов No,составляет величину

Км»о» К н К А< (1 д +1 щ д.,в,Щ) + 1 мм К нч1.рс"барс (5) I

Это число записывают в цифровой де,пительный блок 21.

В третьем такте отключают образцовый ток I . При этом на сердечники 2 и 3 воздействует магнитное поле! смещения и внешнее магнитное пол4 напряженностью +ЬН. Для того, чтобы не анализировать в цифровом делительном блоке знак напряженности внешнего поля, величина напряженности магнитного поля смещения Нсм выбирается больше максимально возможной величины напряженности внешнего магнитного поля j6 Нщс ч!.

В результате после преобразования в цифровом делительном блоке будет записано количество импульсов

N, равное

Ж

1 мм Кнч Кк р+< „ (1с,месм S e)

5 мм нч рс Ос

В четвертом такте из результатов измерения первого Nx и второго No . тактов вычитают результат измерения третьего такта N и первую раз10 ность делят на вторук

I о

Полученное число, пропорциональНое измеРЯемомУ току ?к инДициРУют с помощью цифрового отсчетного блока .22. После этого начинается следующий цикл преобразования.

В режиме "Установка нуля" устройство работает следующим образом. Цикл, преобразования состоит из двух тактов, причем ключ 14 в этом режиме разомкнут, а ключ 17 — замкнут. В первом такте ключ 23 замкнут. Как и ранее напряженность магнитного поля сер25 дечников 2 и 3 преобразуют в число импульсов Х и записывают его в цифровой делительный блок 21, при этом величина N< определяется выражением

»»

З0 11 Кмм»нч КАцп < i < р /8 р+К К„„р, чЧ (1x x 1x x++

Во втором такте размыкают ключ 23, преобразуют напряженность в число импульсов N< и вычитают его из числа

N<, записанного в цифровом делительном блоке в предыдущем такте.

Учитывая, что во втором такте вели40 чина N определяется,.выражением

Кмм кнч К au.n

e+К К;-. чо (см см+"" . () ммкнч} оскс

45 получают разность N -N равную

Я I и

Кмм Кнч Кдмо... „„(10) и йндицируют ее на цифровом отсчетном блоке. Изменяя сопротивление переменного резистора 16, устанавливают нулевые показания цифрового от55 счетного блока.

Установка нуля устройства может осуществляться или перед измерением, или периодически через некоторое время, в течение которого устройст60 во оаботало в режиме "Измерение". Цостоинством предлагаемого устройства является то, что цепь измеряемого тока не коммутируется, что, в свою очередь, важно при измерениях

65 тока в непрерывных технологических

970247

10 процессах, в научных исследованиях и при измерении больших токов.

Погрешность измерения тока предлагаемым устройством составляет величину порядка +7 10 Ъ. Устройство позволяет исключить аддитивную погрешность-измерения тока, обусловленную влиянием внешних магнитных полей, неизменных за время измерения, и существенно ослабить влияние медленно меняющихся внешних магнитных полей.

Формула изобретения

30

Устройство для измерения постоянного. тока, содержащее магнитный модулятор„ состоящий из двух магнитных сердечников, на которых намотаны обмотки возбуждения, подключенные к 20 первому выходу генератора импульсов, измерительная обмотка, обмотка обратной связи, индикаторная обмотка, подсоединенная к основному входу избирательного усилителя, выход которого подключен к входу аналого.цифрового преобразователя и через цепь обратной связи к обмотке обратной связи,.блок управления,первый и второй выходы которого подключены к управляющим входам аналого-цифрового преобразователя и цифрового отсчетного блока, причем второй выход генератора импульсов соединен с вторым входом избирательного усилителя, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности, в него дополнительно введены три ключа, образцовая и дополнительная обмотки, обмотка смещения, генератор тока смещения, переменный резистор, цифровой делительный блок и блок управления ключами, причем образцовая обмотка через первый ключ соединена с источником образцового тока, дополнительная обмотка, переменный резистор и второй ключ соединены последовательно и подключены параллельно измерительной обмотке, обмотка смещения соединена с генератором тока смещения, вход цифрового делительного блока соединен с выходом ана;.ого-цифрового преобразователя, а выход - с выходом цифрового отсчетного блока, третий ключ соединен последовательно с измерительной обмоткой, вход блока управления ключами соединен с третьим выходом блока управления, а выход — с управляющими входами трех ключей, при этом четвертый выход блока управления подключен к управляющему входу цифрового делительного блока.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Беркман Р.Я., Бондарук В.Л., Рохлин Л.И. Магнитотранзисторные усилители постоянного напряжения. Измерительная техника, 1972, с.56.

2. Вишенчук И.М., Курдыдык Р.В., Рылик М.Г. и др. Цифровой интегрирующий вольтамперметр. -В кн.: Контроль-. но-измерительная техника, Львов, 1975, с.77 (прототип).

970247

Составитель В.Костин

Редактор М.Янович Техред А.Бабинец . Корректор С.Шекмар

Заказ 83SO/54 Тираж 717 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, E-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4