измерительный преобразователь больших постоянных токов

Формула изобретения

Измерительный преобразователь больших постоянных токов, содержащий ферромагнитный сердечник, охватывающий токоведущую шину и имеющий компенсационную обмотку, содержащий также генератор прямоугольных импульсов, счетчик импульсов, информационные выходы которого подключены к соответствующим входам цифроаналогового преобразователя, элемент совпадения, первый вход которого подключен к входу управления регистром памяти и первому выходу формирователя прямоугольных импульсов, второй выход которого подключен к управляющему входу счетчика импульсов, отличающийся тем, что в него введены дешифратор, индикатор, фильтр, усилитель, вход которого подключен к выходу цифроаналогового преобразователя, а выход к компенсационной обмотке и входу фильтра, выход которого подключен к входу формирователя прямоугольных импульсов, второй выход которого подключен к управляющему входу цифроаналогового преобразователя, информационные входы регистра памяти подключены к информационным выходам счетчика импульсов, а информационные выходы регистра памяти через дешифратор подключены к соответствующим входам индикатора, второй вход элемента совпадения подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, а выход к счетному входу счетчика импульсов, при этом ферромагнитный сердечник выполнен из материала с прямоугольной петлей гистерезиса.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к измерительным информационным устройствам, решающим задачи измерения, контроля, обработки, отображения и передачи информации, может быть использовано для визуального наблюдения и, преимущественно, в автоматизированных управлениях технологическими процессами, предполагающими контроль больших постоянных токов.

В электроизмерительной технике известны преобразователи напряжений и токов, содержащие нелинейный блок, генератор импульсов, ключ, счетчик импульсов и индикатор [1] Принцип действия их основан на дискретизации и квантовании измеряемой величины, автокомпенсации последней с помощью калиброванного напряжения, при котором выходной сигнал в цифровой форме в виде кода получается на выходе аналого-цифрового преобразователя. Однако известные преобразователи не могут быть использованы для измерения больших постоянных токов без дополнительных датчиков, что в значительной степени усложняет их и снижает точность измерения.

Известно также устройство измерения постоянного тока [2] содержащее магнитный преобразователь на ферромагнитных сердечниках с входными обмотками, обмотками возбуждения, компенсации и выходные, генератор затухающих колебаний, элемент обратной связи, интегратор, преобразователь тока, запоминающий элемент, синхронизатор, цифроаналоговый преобразователь, два счетчика импульсов и элемент совпадения. Работа устройства основана на компенсации намагничивающей силы, создаваемой входным (измеряемым) током намагничивающей силой обмотки компенсации, в которой возникает ток в результате изменения среднего значения индукции в сердечниках при совместном воздействии на них входного тока и затухающих колебаний тока в обмотках возбуждения. Ток компенсации преобразуется в цифровой код путем сравнения его со ступенчато возрастающим током на выходе цифроаналогового преобразователя, получающего информацию от одного из счетчиков импульсов.

Описанное устройство по а.с. СССР N 1396077, G 01 R 19/20 выбрано в качестве прототипа, как совпадающее с заявленным по функции и наибольшей совокупности признаков. Причем запоминающий элемент в известном устройстве является аналогом регистра памяти в заявленном.

Однако известное устройство содержит большое число сравнительно сложных элементов и два магнитных сердечника с тремя парами обмоток (не считая входных), две пары из которых (подключенных к генератору затухающих колебаний и компенсационные) должны иметь намагничивающие силы того же порядка, что и входные обмотки. Такое выполнение устройства делает его очень сложным, громоздким и, вследствие этого, практически неприемлемым для измерения больших постоянных токов.

Целью изобретения является повышение точности измерений больших постоянных токов, упрощение преобразователя и гальваническое отделение его от силовой цепи. Указанная цель достигается тем, что измерительный преобразователь больших постоянных токов, содержащий охватывающий токоведущую шину (кабель) магнитопровод с прямоугольной петлей гистерезиса, на котором размещена компенсационная обмотка, генератор импульсов, соединенный через электронный ключ с двоичным счетчиком, формирователь прямоугольных импульсов, снабжен также как и прототип формирователем ступенчато возрастающего тока, вход которого соединен с выходом счетчика, а выход с компенсационной обмоткой, причем это обмотка через фильтр связана с формирователем прямоугольных импульсов управления.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый измерительный преобразователь отличается тем, что в нем непосредственно, с помощью ступенчато-возрастающих импульсов тока, компенсируется намагничивающая слив измеряемого тока с использованием ферромагнитного сердечника с прямоугольной петлей гистерезиса в качестве компаратора.

Таким образом, заявляемый измерительный преобразователь соответствует критерию изобретения "новизна".

Измерительный преобразователь больших постоянных токов (фиг. 1) содержит магнитопровод 2, охватывающий токопровод (кабель, шину) 1, на котором размещена компенсационная обмотка 3, генератор прямоугольных импульсов 4, последовательно соединенный с электронным ключом 5, двоичный счетчик 6, формирователь ступенчато-возрастающего тока 7, формирователь прямоугольных импульсов 8, регистр 9, дешифратор 10 и индикатор 11 (блоки 10 и 11 используются для визуального определения тока).

Компенсационная обмотка 3 через формирователь импульсов 8 связана с электронным ключом 5, двоичным счетчиком 6, формирователем ступенчато-возрастающего тока 7 и регистром 9. Формирователь 7 по входу подключен к выходу 1 счетчика 6, а по выходу к компенсационной обмотке 3.

Измерительный преобразователь работает следующим образом.

При протекании измеряемого тока I_ш по токопроводу 1, который охватывается магнитопроводом 2, в последнем возникает магнитный поток, характеризуемый индукцией В (фиг. 2). Намагничивающая сила равна току в токопроводе I_ш. В момент открытия электронного ключа 5 (фиг. 1) на один из входов счетчика 6 начнут поступать импульсы. На выходе 1 счетчика 6 появится числовой код, поступающий на вход формирователя ступенчато-возрастающих импульсов 7. Выход формирователя 7 нагружен на компенсационную обмотку 3, поэтому в ней появится ток i_ко (фиг. 3), возрастающий по времени ступенями с заданным значением I_ко и равный nI_ко где n число импульсов.

Намагничивающая сила компенсационной обмотки 3 (фиг. 1) противоположна намагничивающей силе, создаваемой измеряемым током в токопроводе 1.

До тех пор, пока разность I_ш-nWI_ко, где W число витков компенсационной обмотки 3, будет оставаться положительной и меньшей I_ко (фиг. 2), индукция в магнитопроводе 2 (фиг. 1) почти не изменяется, и на компенсационной обмотке 3 импульсы напряжения практически отсутствуют. Но в тот момент, когда значение величины nWI_ко станет больше I_ш, на компенсационной обмотке 3 и, следовательно, на входе формирователя 8 появится импульс напряжения, вызванный перепадом индукции на 2В_max. На выходе преобразователя 8 образуется прямоугольный импульс. По переднему фронту его (выход 1) закрывается на период замера электронный ключ 5 (фиг. 1) и инициируется запись содержания счетчика 6 в регистр 9, передача его, например, в систему управления технологическим процессом и (или) в индикатор 11 через дешифратор 10.

Измерительный преобразователь по функциональной схеме фиг. 1 работает в асинхронном режиме. В этом случае обнуление счетчика 6 запуска формирователя 7 производится по заднему фронту прямоугольных импульсов управления формирователя 8 (выход 2) после окончания предыдущего замера.

Погрешность измерений с помощью предлагаемого измерительного преобразователя зависит от выбора значения I_ко (фиг. 3) и от угла наклона кривой намагничивания на начальном участке ее (фиг. 2) к оси абсцисс. Выбор значений указанных величин диктуется требованием к точности измерений.

Реализация рассматриваемого предложения может быть выполнена по структурной схеме, приведенной на фиг. 4. На этой схеме: 1 токопровод (шина, кабель), 2 магнитопровод, 3 компенсационная обмотка, 4 задающий генератор прямоугольных импульсов, 5 схема совпадения, 6 двоичный счетчик, 7 цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), 8 регистр фиксации, 9 - дешифратор, 10 индикатор, 11 усилительный элемент, 12 фильтр, 13 - формирователь прямоугольных импульсов управления.

Элементы 6, 7 и 11 образуют формирователь ступенчато-возрастающего тока (блок 7 на фиг. 1).

Схема работает следующим образом: в момент, когда намагничивающая сила, создаваемая в обмотке компенсации 3, скомпенсирует намагничивающую силу, создаваемую измеряемым током I_ш, протекающим по шине (кабелю) 1, на входе формирователя импульсов управления 13 возникает импульс напряжения. На выходе этого формирователя образуется прямоугольный импульс. по переднему фронту его (выход 1 формирователя 13) снимается сигнал "преобразование" со входа 1 схемы совпадения 5, в результате чего блокируется подача тактовой серии на вход счетчика 6 и, по низкому уровню, формируется сигнал "запись" на входе регистра 8, с помощью которого фиксируется передаваемая на него от счетчика 6 кодовая комбинация. Эта комбинация передается на вход дишефратора 9, к выходу которого подключен индикатор 10. По заднему фронту импульса (выход 2 формирователя 13) производится обнуление счетчика 6 (по входу 2) и запуск ЦАП 7. После восстановления сигнала на входе 2 схемы совпадения 5 на счетчик 6 начнет поступать новая серия импульсов от генератора 4. На выходе счетчика 6 образуется двоичное число, равное числу поступивших на его вход импульсов от генератора 4. Это число поступает на цифроаналоговый преобразователь 7, на выходе которого образуется ступенчато-возрастающее напряжение, поступающее на вход усилительного элемента 11. Ступенчато-возрастающий ток на выходе этого элемента протекает через компенсационную обмотку 3 до того момента, пока намагничивающая сила ее не скомпенсирует магнитодвижущую силу, создаваемую измеряемым током. Далее процесс измерения повторяется.

В конце отрицательного импульса на выходе 1 формирователя 13 и на входе 1 элемента 5 восстановится высокий уровень.

Формирователь импульсов управления 13 состоит из двух внутренних блоков 1 и 2. Блок 1, формирующий прямоугольный импульс при поступлении на его вход импульса от блока 12, может быть выполнен по одной из известных схем, в частности по схеме фиг. 5а, приведенной, например в [3] (с. 125-127, рис. 4.17, 4.18). Для формирователя прямоугольных импульсов заданной длительности может быть использован также таймер на интегральной схеме КР1006 ВИ1 фиг. 5б [4] (с. 117, 118, рис. 2.24м).

Формирователи импульсов по переднему и заднему фронтам импульса, образующегося на выходе внутреннего блока 1, выполнены на интегральных инверторах на основе схемы, приведенной в [4] (с. 126, 127, рис. 4.19). Применительно к решаемой задаче схема дана на фиг. 6 (блок 2). На фиг. 7 даны временные диаграммы, поясняющие работу формирователя 13.

В момент компенсации магнитодвижущей силы измеряемого тока на выходе блока 12 образуется импульс (верхняя диаграмма на фиг. 7). Этот импульс поступает на внутренний блок 1 (Б1). По переднему фронту его на выходе блока создается прямоугольный импульс, представленный на второй диаграмме фиг. 7. Этот импульс поступает на внутренний блок 2. По переднему фронту его на выходе формирователя импульсов управления 13 возникает отрицательный импульс длительностью t₁-t₃ (третья сверху диаграмма на фиг. 7). По заднему фронту импульса на выходе внутреннего блока 1 (на входе внутреннего блока 2) в момент t₂ возникает импульс на выходе 2 формирователя 13 - нижняя диаграмма на фиг. 7. В результате этого в момент t₁ снимается сигнал со входа 1 блока 5 и по низкому уровню сигнала на входе "Запись" блока 8 через дешифратор 9 на индикаторе 10 фиксируется значение измеряемого тока.

Входы 1 блока 5 и 7 присоединены к выходу 1 блока 13. В момент t₂ с выхода 2 блока 13 выдается сигнал на вход "Запуск ЦАП" и "обнуление" счетчика 6. В момент t₃ восстанавливается высокий уровень на входе 1 блока 5 (выход 1 блока 13) и начинается следующий цикл измерения.

Источники информации

1. Э. Г. Атамалян. Приборы и методы измерения электрических величин. М. Высшая школа, 1982, с. 131-134, 147.

2. А.с. СССР N 1398077, G 01 R 19/20, 1988 (прототип).

3. Автоматизация систем электроснабжения. Учебник для вузов под редакцией д.т.н. проф. Н.Д.Сухопрудского, М. Транспорт, 1990, 339 с. УДК. 621.331: 621.311-53 (075.8).

Б. И.Горошков. Элементы радиоэлектронных устройств. Справочник. М. Радио и связь, 1989, 176 с. ББК 32. 844 Г67 УДК 621.3.049.77:621.396.69 (031).