измерительный преобразователь переменного тока

Классы МПК:G01R19/04 измерения пиковых значений переменного тока или импульсов
Автор(ы):
Патентообладатель(и):Ульяновский государственный технический университет
Приоритеты:
подача заявки:
1996-12-09
публикация патента:

Изобретение можно использовать в электроизмерительной технике, в частности для измерения переменных токов в электроэнергетике. С целью повышения точности измерения переменного тока в устройство на основе пояса Роговского введена схема для периодической коммутации выводов обмотки пояса и обкладок конденсатора, входящего в состав интегратора, что обеспечивает возможность преобразования переменного тока с высокой точностью. 3 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

Формула изобретения

Измерительный преобразователь переменного тока, содержащий пояс Роговского с обмоткой на неферромагнитном каркасе, интегратор напряжения на основе конденсатора, резистора и операционного усилителя, причем неинвертирующий вход последнего заземлен, а инвертирующий вход подключен к упомянутому резистору, выход же упомянутого операционного усилителя является выходом устройства, отличающийся тем, что в него введены повторитель напряжения, генератор прямоугольных импульсов, логический инвертор и восемь ключей, причем первый вывод обмотки пояса Роговского через первый ключ подключен ко входу повторителя напряжения, а через второй ключ - к земляной шине, второй вывод обмотки пояса Роговского через третий и четвертый ключи также соединен соответственно со входом повторителя напряжения и земляной шиной, первые выводы пятого и шестого ключей соединены с инвертирующим входом упомянутого операционного усилителя, а вторые выводы пятого и шестого ключей соединены соответственно с первой и второй обкладками упомянутого конденсатора, первые выводы седьмого и восьмого ключей подключены к выходу упомянутого операционного усилителя, а вторые выводы - к первой и второй обкладкам упомянутого конденсатора соответственно, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входами управления первого, четвертого, пятого и восьмого ключей непосредственно, а с входами управления второго, третьего, шестого и седьмого ключей - через логический инвертор, кроме того, выход повторителя напряжения через упомянутый резистор интегратора напряжения соединен с инвертирующим входом упомянутого операционного усилителя.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к измерению переменных токов в электроэнергетике.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи, заключающейся в повышении точности измерения переменных токов в электроэнергетике.

Известны индукционные трансформаторы тока (см. Андреев Ю.А., Абрамзон Г. В. Преобразователи тока для измерения без разрыва цепи. - Л.: Энергия, 1979, стр. 36 - 47), которые содержат сердечник из ферромагнитного материала, первичную и вторичную обмотки. Такие трансформаторы широко используются в электроэнергетике для измерения переменных токов. Но, как известно, при стремлении повысить точность преобразования выявляется ряд недостатков, которые связаны, например, с нелинейностью кривой намагничивания, зависимостью погрешностей от сопротивления во вторичной обмотке трансформатора.

Известны также преобразователи тока на основе пояса Роговского и пассивного интегратора (см. Шваб А. Измерения на высоком напряжении. - М.: Энергия, 1973, стр. 156 - 157). Недостатком таких устройств является снижение точности преобразования из-за погрешностей интегрирования и отбора мощности от пояса. Попытки использования в составе преобразователя электронных усилителей с емкостной обратной связью также наталкиваются на проблему увеличения погрешностей вследствие интегрирования напряжения смещения и входных токов усилителя. Поэтому такие устройства в электроэнергетике практически не используются.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является измерительный преобразователь на основе пояса Роговского и интегратора на операционном усилителе (ОУ) (см. Волгин Л.И., Матчак А.Т. Бесконтактный датчик тока //Приборы и техника эксперимента, 1976, N 3, стр. 113 - 115). Для устранения накопления погрешности от интегрирования напряжения смещения и входных токов ОУ в нем используется фиксация нулевого уровня интегратора с помощью диода. Такое устройство предназначено для измерения импульсных токов, а использовать его для измерения переменных токов, например в промышленной электроэнергетике, нельзя, поскольку выходное напряжение в этом случае будет содержать, кроме полезной переменной составляющей, паразитную постоянную составляющую U (фиг. 1). Кроме этого, происходит искажение сигнала в моменты измерительный преобразователь переменного тока, патент № 2127887t фиксации нулевого уровня, поэтому, хотя напряжение измерительный преобразователь переменного тока, патент № 2127887U имеет малое значение (фиг. 1), с этим приходится считаться при проведении прецизионных измерений. Также можно отметить, что в прототипе происходит отбор мощности от пояса Роговского, что снижает уровень информативного сигнала. Эти факторы приводят к погрешностям при измерении переменных токов, поскольку, например, постоянная составляющая выходного напряжения существенно искажает информацию о действующем значении измеряемого тока.

Цель изобретения - повышение точности измерения переменного тока.

Для достижения поставленной цели в измерительный преобразователь переменного тока, содержащий пояс Роговского с обмоткой на неферромагнитном каркасе, интегратор напряжения на основе конденсатора, резистора и операционного усилителя, причем неинвертирующий вход последнего заземлен, а инвертирующий вход подключен к резистору, выход же усилителя является выходом устройства, введены повторитель напряжения, генератор прямоугольных импульсов, логический инвертор и восемь электронных ключей, причем первый вывод обмотки пояса через первый ключ подключен к входу повторителя, а через второй ключ - к земляной шине, второй вывод обмотки пояса через третий и четвертый ключ также соединен соответственно с входом повторителя и земляной шиной, первые выводы пятого и шестого ключей соединены с инвертирующим входом усилителя, а вторые выводы пятого и шестого ключей соединены соответственно с первой и второй обкладками конденсатора, первые выводы седьмого и восьмого ключей подключены к выходу усилителя, а вторые выводы - к первой и второй обкладкам конденсатора соответственно, выход генератора прямоугольных импульсов соединен с входами управления первого, четвертого, пятого и восьмого ключей непосредственно, а с входами управления второго, третьего, шестого и седьмого ключей - через логический инвертор.

Существенным отличием заявляемого устройства от прототипа является использование схемы коррекции нулевого уровня интегратора, содержащей генератор тактовых импульсов, логический инвертор, восемь ключей, а также повторителя напряжения.

По имеющимся у автора сведениям эти существенные признаки не известны из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

По мнению автора сущность заявляемого изобретения не следует для специалистов явным образом из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "изобретательский уровень".

Признаки данного изобретения могут быть многократно использованы в измерительной технике о получении технического результата, заключающегося в достижении поставленной цели, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Сущность изобретения поясняется фиг. 1 - 3. На фиг. 2 изображена функциональная схема устройства, фиг. 3 поясняет работу устройства.

Функциональная схема устройства (фиг. 2) содержат пояс Роговского с обмоткой 1. Один ее вывод через первый 2 и второй 3 ключи соединен соответственно с входом повторителя напряжения 4 и земляной шиной. Другой вывод обмотки через третий 5 и четвертый 6 ключи также соединен соответственно с входом повторителя 4 и земляной шиной. Выход повторителя 4 через резистор 7 подключен к инвертирующему входу ОУ 8, неинвертирующий вход которого заземлен, а выход является выходом устройства. Входные зажимы пятого 9 и шестого 10 ключей подсоединены к инвертирующему входу ОУ 8, а выходные зажимы этих ключей соединены через конденсатор 11. Входные зажимы седьмого 12 и восьмого 13 ключей подключены к выходу ОУ 8, а выходные зажимы этих ключей также соединены через конденсатор 11. Выход генератора прямоугольных импульсов (ГПИ) 14 соединен с входами управления первого 2, четвертого 6, пятого 9 и восьмого 13 ключей непосредственно, а с входами управления второго 3, третьего 5, шестого 10 и седьмого 12 ключей - через логический инвертор 15.

Устройство работает следующим образом. Пояс Роговского с обмоткой 1 охватывает шины с измеряемым током i. Генератор 14 генерирует напряжение прямоугольной формы с частотой f = 1/T (фиг. 3, а). Например, в течение времени T1 ключи 2, 6, 9, 13 замкнуты, а ключи 3, 5, 10, 12 - разомкнуты. Поэтому вывод B1 обмотки пояса подключается к повторителю 4, вывод B2 заземляется, первая обкладка O1 конденсатора 11 подключается к неинвертирующему входу ОУ 8, а вторая обкладка O2 - к выходу ОУ. У реального ОУ имеются некоторые входной ток J и напряжение смещения Eсм, которые при анализе учитываются подключением источников тока и ЭДС, что показано на фиг. 3, б (см. Гутников В.С. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - Л. : Энергоатомиздат, 1988, стр. 21). Входное сопротивление повторителя 4 велико, поэтому ток по обмотке пояса не протекает. Происходит интегрирование как полезного напряжения пояса uп(t), так и указанных паразитных факторов (пусть, например, они имеют знак "+"):

измерительный преобразователь переменного тока, патент № 2127887

т. е. происходит смещение нулевого уровня интегратора. В выражении (1) R и C - сопротивление резистора 7 и емкость конденсатора 11.

В течение времени T2 (фиг. 3, а) напряжения ГТН 14 наоборот ключи 2, 6, 9, 13 размыкаются, а ключи 3, 5, 10, 12 замыкаются, что обеспечивается с помощью инвертора 15. Поэтому вывод B2 обмотки подключается к повторителю 4, вывод B1 заземляется, первая обкладка конденсатора O1 подключается к выходу ОУ 8, а вторая обкладка O2 - к инвертирующему входу этого ОУ. Поскольку происходит изменение полярности как напряжения, снимаемого с пояса, так и полярности подключения конденсатора, то знак интегрирования напряжения uп(t) не изменяется. Что касается паразитных факторов, то их знак за малое время не меняется, поэтому знак интегрирования в течение времени T2 меняется на противоположный вследствие изменения полярности подключения только обкладок конденсатора. Аналогично (1) можно записать, что

измерительный преобразователь переменного тока, патент № 2127887

За время T = T1 + T2 при T1 = T2 для выходного напряжения получаем

измерительный преобразователь переменного тока, патент № 2127887

т. е. смещения нулевого уровня интегратора не происходит, а производится интегрирование только полезного сигнала, который пропорционален производной измеряемого тока

измерительный преобразователь переменного тока, патент № 2127887

где M - взаимоиндуктивность между токопроводом и поясом Роговского.

Поэтому

измерительный преобразователь переменного тока, патент № 2127887

т. е. выходное напряжение содержит только переменную составляющую, которая пропорциональна переменному измеряемому току.

Полученный результат является справедливым для любого четного числа суммы полутактов Ti. Выбором частоты ГПИ 14 можно добиться очень малого значения напряжения Uсм в отдельных полутактах. При этом к стабильности частоты генератора 14 особых требований не предъявляется, нужно лишь обеспечить равенство полутактов: T1 = T2, т.е. скважность ГПИ 14 должна быть равной 0,5. Если это условие не выполняется, то его можно достигнуть включением в состав ГПИ 14 делителя частоты на 2. Отметим, что выражение (3) получено в предположении неизменности значений паразитных факторов в течение полутактов T1 и T2. При наличии их дрейфа в реальном случае необходимо учесть, что скорость этого дрейфа пренебрежимо мала по сравнению со скоростью изменения напряжения ГПИ 14. Кроме этого, можно показать, что при дрейфе в одну сторону даже при неполной компенсации напряжения Uсм за время T = T1 + T2 в течение времени t >> T смещение нулевого уровня будет колебаться вокруг некоторого малого конечного значения.

Отметим также, что сопротивления замкнутых ключей в обратной связи ОУ 8 влияют на частотную характеристику интегратора. Для снижения этого влияния необходимо использовать электронные ключи с малым сопротивлением в открытом состоянии r0, например, К590КН9, у которого r0 = 6 Ом (см. вышеприведенную книгу Гутникова В. С., стр. 290). В этом случае, например, угловую погрешность на частоте 50 Гц можно снизить до сотых долей градуса. Что касается ключей между обмоткой 1 и повторителем 4, то их сопротивления влияния на работу устройства не оказывают, поскольку они включены последовательно с большим входным сопротивлением повторителя 4.

Согласно результатам экспериментов заявляемое изобретение может найти применение в народном хозяйстве, где необходимо увеличение точности измерения переменных токов.

Заявляемое решение не оказывает отрицательного воздействия на состояние окружающей среды.

Класс G01R19/04 измерения пиковых значений переменного тока или импульсов

пиковый детектор -  патент 2506598 (10.02.2014)
пиковый детектор -  патент 2409818 (20.01.2011)
широкополосный пиковый вольтметр -  патент 2242012 (10.12.2004)
устройство фиксации уровня сигналов -  патент 2208300 (10.07.2003)
способ работы датчика для измерения импульсного однополярного тока -  патент 2207577 (27.06.2003)
способ выполнения пояса роговского -  патент 2205412 (27.05.2003)
устройство для распознавания образов и подсчета критических выбросов или провалов напряжения и определения суммарного времени отказов электрооборудования -  патент 2193230 (20.11.2002)
преобразователь переменного напряжения в постоянное -  патент 2178891 (27.01.2002)
способ контроля токораспределения по комплектам щеток узла токосъема электрической машины и устройство для его осуществления -  патент 2178609 (20.01.2002)
бесконтактный измерительный преобразователь тока -  патент 2168182 (27.05.2001)
Наверх