устройство для бесконтактного измерения импульсных токов

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ ТОКОВ, содержащее последовательно соединенные электромагнитный преобразователь, блок предварительной обработки сигналов и электронный интегратор с резистором на входе усилителя постоянного тока и конденсатором в цепи обратной связи, выход которого соединен с выходом устройства, электронный ключ, резистор, компаратор, источник опорного напряжения, выход которого подключен к первому входу компаратора, отличающееся тем, что, с целью повышения помехозащищенности, в него введены блок гальванической развязки, блок задержки, RS-триггер, входная клемма синхронизации, причем электромагнитный преобразователь выполнен с двумя изолированными выводами, блок предварительной обработки сигналов - в виде разностного усилителя, входы которого зашунтированы резистором, а выход соединен с вторым входом компаратора, выход которого подключен к входу блока задержки, выход которого соединен с R-входом RS-триггера, S-вход которого подключен к входной клемме синхронизации, а инверсный выход соединен с входом блока гальванической развязки, два выхода которого соединены соответственно с управляющими входами электронного ключа, контактные выводы которого подключены к выводам конденсатора в цепи обратной связи интегратора, блок гальванической развязки содержит генератор тактовых импульсов, D-триггер, два элемента 2И - НЕ, разностный усилитель, разделительный импульсный трансформатор и двухполупериодный выпрямительный блок, выходы которого соединены с выходами блока, а входы - с выводами вторичной обмотки разделительного трансформатора, первичная обмотка которого одним выводом соединена с общей шиной, а другим выводом - с выходом разностного усилителя, входы которого подключены к выходам первого и второго элементов 2И - НЕ, первые входы которых объединены и соединены с входом блока, второй вход первого элемента 2И - НЕ подключен к прямому выходу D-триггера, а второй вход второго элемента 2И - НЕ соединен с D-входом и инверсным выходом D-триггера, C-вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а электронный ключ содержит два биполярных транзистора и четыре резистора, причем эмиттеры транзисторов подключены соответственно к выходам электронного ключа, базы транзисторов - соответственно к первым выводам первого и второго резисторов, вторые выводы которых объединены, коллекторы транзисторов объединены и подключены к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, а управляющие входы электронного ключа зашунтированы четвертым резистором и подключены соответственно к общим выводам первого и второго резисторов и первому выводу третьего резистора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения периодической последовательности импульсных токов с помощью бесконтактных электромагнитных датчиков (поясов Роговского). Задача неискаженного воспроизведения импульсов тока периодической последовательности постоянно возникает при измерении, настройке и анализе режимов работы импульсных СВЧ-приборов по цепям питания электродов. Параметры импульсов тока, такие как амплитуда, длительность, скважность, изменяются при этом в широких пределах. Общим для импульсов тока является то, что они однополярны, имеют форму, близкую к прямоугольной, а значение тока в паузе равно нулю.

Известно устройство для бесконтактного измерения импульсных токов, содержащее электромагнитный датчик, электронный интегратор с двумя конденсаторами в цепи обратной связи усилителя постоянного тока и резистором на входе усилителя, два электронных ключа, компаратор и источник стабилизированного напряжения. Его недостатками являются низкая помехозащищенность и низкая точность измерений параметров импульсов тока периодической последовательности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для бесконтактного измерения амплитуды импульсных сигналов, содержащее электромагнитный преобразователь, блок предварительной обработки сигналов, электронный ключ, резистор, компаратор, источник опорного напряжения, электронный интегратор с резистором на входе усилителя постоянного тока и конденсатором в цепи обратной связи, при этом электромагнитный преобразователь изолировано установлен на токонесущей шине, включаемой в исследуемую цепь.

Недостатками известного устройства являются низкая помехозащищенность и низкая точность измерений параметров импульсов тока периодической последовательности. Низкая помехозащищенность обусловлена отсутствием мер защиты от воздействия на вход устройства синфазных помех по общей шине. Низкая точность измерений обусловлена пребыванием интегратора в постоянно включенном состоянии (режим накопления) как во время действия измеряемых импульсов тока, так и в паузах между ними. Отсутствие возможности периодического обновления состояния интегратора путем его сброса перед каждым импульсом тока и отсутствие возможности фиксации исходного нулевого уровня интегратора в паузе приводит к накоплению ошибки в выходном сигнале интегратора, обусловленной интегрированием паразитных напряжений помех, шумов, напряжения смещения усилителя постоянного тока интегратора и т.п.

Дополнительность точность измерений в известном устройстве снижается из-за примененного простого однополюсного (относительно общей шины) способа управления электронным ключом, при котором с размыканием ключа имеет место просачивание части перепада управляющего импульсного сигнала из цепи управления электронным ключом в коммутируемую цепь, т.е. на выход устройства, обусловленного наличием емкостной связи управляющего электрода ключа с его контактными выводами. Эта составляющая погрешности, называемая ошибкой управления, суммируется с выходным сигналом устройства и искажает амплитуду и форму воспроизводимых импульсов.

Целью изобретения является повышение помехозащищенности и точности измерений за счет подавления синфазных помех, включения интегратора только на время импульса тока, устранения просачивания управляющих импульсов электронного ключа на выход интегратора, фиксации начального нулевого уровня интегратора в паузе между измеряемыми импульсами, компенсации остаточного напряжения открытого электронного ключа.

Цель достигается тем, что в устройство для бесконтактного измерения импульсных токов, содержащее электромагнитный преобразователь, блок предварительной обработки сигналов, электронный ключ, резистор, компаратор, источник опорного напряжения, электронный интегратор с резистором на входе усилителя постоянного тока и конденсатором в цепи обратной связи, выход которого является выходом устройства, при этом выход электромагнитного преобразователя подключен к входу блока предварительной обработки сигналов, выход которого подключен к входу электронного интегратора, выход источника опорного напряжения подключен к первому входу компаратора, введены блок гальванической развязки, блок задержки, RS-триггер, входная клемма синхронизации, причем электромагнитный преобразователь выполнен с двумя изолированными выводами, управляющий вход электронного ключа выполнен с двумя изолированными вводами, а блок предварительной обработки сигналов выполнен в виде разностного усилителя, входы которого подключены к выводам электромагнитного преобразователя, зашунтированным резистором, а выход соединен с вторым входом компаратора, выход которого подключен к входу блока задержки, выход которого соединен с R-входом RS-триггера, а S-вход которого подключен к входу синхронизации, инверсный выход RS-триггера соединен с входом блока гальванической развязки, выходы которого соединены с управляющими входами электронного ключа, контактные выводы которого подключены к выводам конденсатора в цепи обратной связи интегратора; блок гальванической развязки выполнен содержащим генератор тактовых импульсов, D-триггер, два элемента 2И-НЕ, разностный усилитель, разделительный импульсный трансформатор и двухполупериодный выпрямительный блок, выходы которого являются выходами блока гальванической развязки, а входы выпрямительного блока соединены с выводами вторичной обмотки разделительного трансформатора, первичная обмотка которого одним выводом соединена с общей шиной, а другим выводом - с выходом разностного усилителя, входы которого подключены к выходам первого и второго элементов 2И-НЕ, первые входы которых объединены и являются входом блока гальванической развязки, второй вход первого элемента 2И-НЕ подключен к прямому выходу D-триггера, а второй вход второго элемента 2И-НЕ подключен к инверсному выходу D-триггера и одновременно к его D-входу, а С-вход D-триггера соединен с выходом генератора тактовых импульсов; электронный ключ выполнен содержащим два последовательно и встречно включенных биполярных транзистора и четыре резистора, причем эмиттеры транзисторов подключены к выходам электронного ключа, базы транзисторов подключены к первым выводам первого и второго резисторов, вторые выводы которых объединены, коллекторы транзисторов объединены и подключены к первому выводу третьего резистора, второй вывод которого соединен с общей шиной, а управляющие входы электронного ключа зашунтированы четвертым резистором и подключены одним входом к общей точке первого и второго резисторов, а другим входом - к коллекторам транзисторов.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и связей - блока задержки, RS-триггера и блока гальванической развязки, в состав которого входят генератор тактовых импульсов, D-триггер, два элемента 2И-НЕ, разностный усилитель, импульсный трансформатор и выпрямительный блок, а в состав электронного ключа входят два биполярных транзистора и четыре резистора.

В качестве новых связей отметим существенные - связи RS-триггера с входом синхронизации, выхода разностного усилителя с входом компаратора, двухпроводные связи между блоками: преобразователя и разностного усилителя, электронного ключа и блока гальванической развязки.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими известными техническими решениями показывает, что блок задержки, RS-триггер, D-триггер, элементы 2И-НЕ, разностный усилитель, генератор тактовых импульсов, импульсный трансформатор и выпрямительный блок, биполярные транзисторы, резисторы известны.

Однако при их введении в указанные связи с остальными элементами в заявляемое устройство для бесконтактного измерения импульсных токов оно проявляет новые свойства, что приводит к повышению помехозащищенности и точности измерений.

Выполнением электромагнитного преобразователя с двумя изолированными выводами и блока предварительной обработки сигналов в виде разностного усилителя достигается подавление синфазных помех в измеряемом сигнале. Одновременно применены схема подключения и режим работы электронного ключа, при которых интегратор включается только на время импульса тока, чем обеспечивается обнуление - фиксация начального нулевого уровня интегратора в паузе между импульсами, приводящая одновременно к повышению помехозащищенности и точности измерения токов.

Применением гальванической развязки (посредством разделительного импульсного трансформатора) и двухполюсного (не связанного через общую шину) управления электронным ключом достигнуто устранение просачивания управляющих импульсов электронного ключа на выход устройства (в прототипе просачивающаяся на выход устройства часть сигналов управления суммируется с выходным сигналом, снижая точность измерений).

Электронный ключ выполнен состоящим из двух встречно и последовательно включенных биполярных транзисторов, чем обеспечивается компенсация остаточного напряжения транзисторов ключа, когда последний находится во включенном состоянии.

Введением входа синхронизации обеспечена возможность обнуления интегратора перед приходом рабочего импульса тока, а введением связи между выходом разностного усилителя и входом компаратора обеспечено упрощение устройства за счет устранения дифференциатора (по сравнению с прототипом).

Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию "существенные отличия".

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства для бесконтактного измерения импульсных токов; на фиг. 2 - функциональная схема блока гальванической развязки устройства; на фиг. 3 - принципиальная схема электронного ключа устройства; на фиг. 4 - временные диаграммы сигналов в различных точках устройства, где а - импульсы тока в исследуемой цепи; б - выходное напряжение разностного усилителя; в - импульсы на R-входе RS-триггера; г - импульсы синхронизации; д - импульсы инверсного выхода RS-триггера; е - импульсы генератора тактовых импульсов; ж, з - импульсы на прямом и обратном выходах D-триггера; и - импульсное напряжение на выходе импульсного трансформатора; к - управляющие сигналы на входе электронного ключа.

Устройство для бесконтактного измерения импульсных токов (фиг. 1) содержит электромагнитный преобразователь 1, разностный усилитель 2, резистор 3, электронный интегратор 4 с резистором 5 на входе усилителя 6 постоянного тока и конденсатором 7 в цепи обратной связи, компаратор 8, источник 9 опорного напряжения, блок 10 задержки, RS-триггер 11, блок 12 гальванической развязки, электронный ключ 13, входную клемму 14 синхронизации.

Блок 12 гальванической развязки (фиг. 2) содержит генератор 15 тактовых импульсов, D-триггер 16, элементы 2И-НЕ 17 и 18, разностный усилитель 19, разделительный импульсный трансформатор 20, двухполупериодный выпрямительный блок 21.

Электронный ключ 13 (фиг. 3) содержит биполярные транзисторы 22 и 23, резисторы 24-27.

Устройство работает следующим образом. Однополярные импульсы тока исследуемой цепи (фиг. 4а) воспринимаются электромагнитным преобразователем 1 и преобразуются в напряжение сложной формы, определяемое характеристиками и режимом работы преобразователя 1.

В предложенном устройстве применен электромагнитный преобразователь с дифференцирующим режимом работы, в котором напряжение на выходе электромагнитного преобразователя 1 пропорционально производной измеряемого тока (в связи с чем возникает необходимость последующего интегрирования сигнала).

Выбором величины резистора 3 обеспечен критический режим работы преобразователя 1 (на границе колебательного и апериодического режимов), при котором обеспечиваются наименьшие искажения воспроизводимого сигнала (наиболее широкая полоса рабочих частот преобразователя).

Для подавления синфазных помех электромагнитный преобразователь 1 выполнен с двумя изолированными выводами, подключенными к входам разностного усилителя 2, выходные импульсы которого показаны на фиг. 4б. Эти импульсы поступают на вход электронного интегратора 4, выходное напряжение которого пропорционально амплитуде тока исследуемой цепи и повторяет его форму. Выход электронного интегратора 4 является выходом устройства.

Одновременно выходные импульсы разностного усилителя 2 подаются на вход компаратора 8, который формирует короткие импульсы положительной полярности (при определенной полярности, например положительной, импульсов на входе устройства), совпадающие по времени со спадом измеряемого импульса тока. Эти импульсы задерживаются блоком 10 задержки на время, превышающее длительность переходного процесса в электромагнитном преобразователе 1, на спаде измеряемого импульса и поступают на R-вход RS-триггера 11 (фиг. 4в), устанавливая его по инверсному выходу в единичное состояние.

Сигнал по инверсному выходу RS-триггера 11 управляет работой блока 12 гальванической развязки, управляющие сигналы которого вызывают замыкание электронного ключа 13, шунтирующего выводы конденсатора 7 электронного интегратора 4. Это приводит к отключению интегратора 4 и фиксации нулевого уровня на его выходе, которое сохраняется до прихода очередного импульса синхронизации, подаваемого на вход 14 и поступающего на S-вход RS-триггера 11.

Импульс синхронизации должен приходить раньше очередного импульса измеряемого тока (фиг. 4г).

Импульс синхронизации устанавливает RS-триггер 11 по его инверсному выходу в нулевое состояние (фиг. 4д), запрещая работу блока 12 гальванической развязки, что приводит к отключению управляющего сигнала, размыканию электронного ключа 13 и включению интегратора 4 на время действия очередного импульса тока.

Блок 12 гальванической развязки (фиг. 2) позволяет гальванически разделить цепи, коммутируемые электронным ключом 13, и цепи, управляющие работой ключа при двухполюсном (не связанном через общую шину) управлении ключом при одновременном сохранении быстродействия управляющей цепи, что устраняет просачивание управляющих импульсов электронного ключа на выход интегратора.

Работа блока 12 гальванической развязки происходит следующим образом. Генератор 15 тактовых импульсов вырабатывает импульсы с частотой, значительно превышающей частоту следования измеряемых импульсов тока (фиг. 4е). Импульсы генератора 15 поступают на С-вход D-триггера 16, выполняющего функции делителя частоты на два, для чего инверсный выход D-триггера соединен с его D-входом.

Импульсы с прямого и обратного выходов D-триггера 16 поступают на вторые входы элементов 2И-НЕ 17 и 18 (фиг. 4ж, з). Первые входы элементов 2И-НЕ объединены и являются входом блока 12 гальванической развязки, на который подается импульс RS-триггера 11, запрещающий работу блока 12 гальванической развязки на время действия импульса тока и блокирующий прохождение импульсов D-триггера 16 на выходы элементов 2И-НЕ 17 и 18. При отсутствии сигнала блокировки разностный усилитель 19 из разнополярных выходных импульсов элементов 2И-НЕ 17 и 18 формирует на обмотках трансформатора 20 импульсное напряжение в форме меандра (фиг. 4и), которое после его выпрямления блоком 21 (фиг. 4к) поступает на управляющие входы электронного ключа 13.

Электронный ключ 13 (фиг. 3) позволяет компенсировать остаточное напряжение открытых транзисторов ключа за счет последовательно-встречного включения двух одинаковых транзисторов с общим управляющим напряжением, образующих в этом случае один ключ с симметричными характеристиками относительно коммутируемого напряжения.

Управляющий сигнал подается между объединенными коллекторами и базами транзисторов 22, 23 и одновременно открывает оба транзистора. Остаточное напряжение на транзисторах 22, 23 уменьшено до незначительной величины регулировкой величины резисторов 24, 25.

Технико-экономический эффект предлагаемого устройства состоит в повышении помехозащищенности и точности измерений за счет подавления синфазных помех, за счет фиксации начального нулевого уровня интегратора в паузе, за счет того, что интегрируется не всякий собираемый электромагнитным преобразователем заряд, а лишь заряд, обусловленный измеряемым током, за счет устранения просачивания управляющих импульсов электронного ключа на выход интегратора, а также за счет компенсации остаточного напряжения электронного ключа.

В предложенном устройстве достигнуто существенное повышение точности при измерениях импульсных токов периодической последовательности однополярных импульсов, в том числе для низких значений скважности, за счет обеспечения весьма малого по сравнению с прототипом значения времени восстановления начального нулевого уровня интегратора путем быстрого разряда интегрирующего конденсатора и за счет устранения паразитного эффекта накопления ошибки, обусловленного в прототипе, длительным, непрерывным интегрированием паразитных напряжений помех, шумов, напряжения смещения усилителя постоянного тока интегратора и т.п.