Измерительный преобразователь постоянного тока

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике. Цель изобретения - повьшение. точности работы устройства. Преобразователь содержит магнитньй компаратор 1, включающий рабочие магнитопроводы 2 и 3, экранирующие магнитопроводы 4 и 5, обмотки возбуждения 6 и 7, сигнальные обмотки 8 и 9, рабочие обмотки 10 и 11, компенсационную и измерительную обмотки 12 и 13. Кроме того, устройство состоит из генератора 16 возбуждения , управляемого коммутатора 21 с ключами 22-26, блока 15 управления, датчиков 28 и 29 насыщения магнитопроводов, демодулятора 31, фазового детектора 32, аналогового сумматора 35 и усилителя 36 постоянного тока. Введение потенциометра 30, блоков 33 и 34 развязки и выполнение магнитного экрана магнитного компаратора в виде внутреннего и внешнего экранирующих магнитопроводов 4 и 5 уменьшает динамическую погрешность, 2 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)4 G 01 R 19/20

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ " :

К А ВТОРСКОМ,Ф СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3798568/24-21 (22) 11.10.84 (46) 30.01.87. Бюл. ¹ 4 (71) Объединенный институт ядерных исследований (72) В.В.Калиниченко (53) 621,317(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 1150566, кл. G 01 R 19/20, 1982.

Авторское свидетельство СССР

¹ 1253306, кл, G 01 R 19/20, 09.08.84. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ПОСТОЯННОГО ТОКА (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике. Цель изобретения — повышение, точности работы устройства. Преобразователь содержит магнитный компаратор 1, включающий

„„Я0„„1287023 А1 рабочие магнитопроводы 2 и 3, экранирующие магнитопроводы 4 и 5, обмотки возбуждения 6 и 7, сигнальные обмотки 8 и 9, рабочие обмотки 10 и 11, компенсационную и измерительную обмотки 12 и 13. Кроме того, устройство состоит из генератора 16 возбуждения, управляемого коммутатора 21 с ключами 22-26, блока 15 управления, датчиков 28 и 29 насыщения магнитопроводов, демодулятора 31, фазового детектора 32, аналогового сумматора

35 и усилителя 36 постоянного тока.

Введение потенциометра 30, блоков 33 и 34 развязки и выполнение магнитного экрана магнитного компаратора в виде внутреннего и внешнего экранирующих магнитопроводов 4 и 5 уменьшает динамическую погрешность. 2 ил.

1 1,2870

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерен; я постоянного тока большой величины.

Цель изобретения — повышение точности путем уменьшения динамической погрешности.

На фиг. 1 дана функциональная схема измерительного преобразователя постоянного тока; на фиг. 2 — магнит- 10 ный компаратор, разрез.

Измерительный преобразователь по.стоянного тока содержит магнитный

„компаратор 1, состоящий из рабочих магнитопроводов 2 и 3, экранирующих магпитопроводов 4 и 5, обмоток 6 и 7 возбуждения, сигнальных обмоток 8 и 9, рабочих обмоток l0 и 11, компенсационной обмотки 12 и измерительной обмотки 13. Обмотки возбуждения 6 20 и 7 намотаны каждая на один из рабочих магнитопроводов 2 и 3.

Первый экранирующий магнитопровод

4 размещен снаружи коаксиально разме- 2 щенных рабочих магнитопроводов 2 и 3, а второй экранирующпй магнитопро вод 5 — внутри магнитопроводов 2 и 3 коаксиально с ними. На первый

1 экранирующий магнитопровод 4 намотаны первая сигнальная 8 и первая рабочая l0 обмотки. На второи зкранирующий магнитопровод 5 намотаны вторая сигнальная 9 и вторая рабочая 11 обмотки. На рабочие 2 и 3 и экранирующие 4 и 5 магнитопроводы намотана общая компенсационная обмотка 1?.

Измерительная обмотка 13 представляет собой токоведущую шину, имеющую на концах входные клеммы 14 и 15.

Генератор 16,возбуждения имеет выход40 ные зажимы 17 и 18 основной частоты, выходные зажимы 19 и 20 однополярных импульсов и выход удвоенной частоты.

Преобразователь содержит также управляемый коммутатор 21 с пятью ключами 22 — 26, а также блок 27 управления, датчики 28 и 29 насыщения маг. нитопповодов, потенциометр 30, демодулятор 31, фазовый детектор 32, первый 33 и второй 34 блоки развязки, аналоговый сумматор.35 с тремя входами, усилитель 36 постоянного тока (УПТ) эталонный резистор 37, 1 включенный между первым 38 и вторым 39 выходными зажимами, а также первый 40 и второй 41 зажимы питания.

Первые выводы обмоток возбуждения 6 и 7 соединены с первым входом перво23 2 го блока 33 развязки, второй вход которого подключен к движку потенциометра 30, а его вход питания соединен непосредственно с входом питания второго блока 34 развязки и через третий ключ 24 управляемого коммутатора 21 с первым зажимом 40 питания. Второй вывод первой обмот-ки возбуждения через первый датчик 28 насыщения и соединенный последовательно с ним первый ключ 22 коммутатора 21 соединен.с первым зажимом 17 генератора 16 возбуждения и с первым выводом потенциометра 30, второй вывод которого подключен к второму зажиму 18 генератора 16 возбуждения, второму выводу второй обмотки 7 возбуждения, первые выводы сигнальных обмоток 8 и 9 подключены к общему входному выводу демодулятора 31 °

Второй вывод первой сигнальной обмотки 8 через четвертый ключ 25 коммутатора 21 соединен с первым входным выводом демодулятора 31, а второй вывод второй сигнальной обмотки 9 через пятый ключ 26 коммутатора 21 соединен с вторым входным выводом демодулятора 31. Первые выводы рабочих обмоток 10 и 11 соединены с входом второго блока 34 развязки.

Второй вывод первой рабочей обмотки 10 через второй датчик 29 насыщения и соединенный с ним последовательно второй ключ 23 соединен с за1 жимом 19 генератора 16 возбуждения.

Выход кахщого из датчиков 28 и 29 подключен к одному из входов блока

27 управления, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора 21 ° Второй вывод второй рабочей обмотки соединен с общими выводами блоков 33 и 34 развязки, зажимом 20 генератора 16 возбуждения, зажимом

41 и общей шиной. Выход удвоенной частоты соединен с управляющим входом фазового детектора 32, сигнальнылc вход которого соединен с выходом первого блока 33 развязки, а выход— с первым входом аналогового сумматора 35. Второй вход аналогового сумматора подключен к выходу,цемодулятора 31, а третий — к выходу второго блока 34 развязки. Выход аналогового сумматора 35 соединен с входом усилителя 36 постоянного тока, первый выходной вывод которого соединен через компенсационную обмотку 12 с первым выходным зажимом 38, а его

3 12870 второй выходной вывод — с вторым выходным зажимом 39.

В качестве датчиков 28 и 29 насыщения магнитопроводов можно использовать пороговые датчики тока, реагирующие на резкое увеличение тока при насыщении магнитопроводов, в качестве блока 27 управления — триггер.

В качестве блоков 33 и 34 развязки можно испольэовать, например, извест-10 ное устройство разделения кайала связи постоянного тока на базе оптрона.

Измерительный преобразователь постоянного тока работает следующим образом. 15

В рабочем режиме ключи 22 и 24 замкнуты, а ключи 23, 25 и 26 разомкнуты. На обмотки 6 и 7 возбуждения поступает напряжение возбуждения с выхода основной частоты генерато- 20 ра 16 возбуждения. В этом режиме намагничивающие силы постоянных токов, действующие на магнитопроводы 2 и 4, : уравновешиваются и это равновесие поддерживается с помощью контура 25 отрицательной обратной связи. При нарушении равновесия намагничивающих сил, т.е. при появлении постоянного подмагничивания магнитопроводов 2 и 3, на общем выводе обмоток 6 и 7 30 возбуждения появляется напряжение удвоенной частоты модуляции, амплитуда и фаза которого определяются величиной и знаком разбаланса намагничивающих сил 6IW. Напряжение удвоенной частоты снимается с указанного общего вывода относительно движка потенциометра 30 и через находящийся в рабочем состоянии блок 33 развязки подается на сигнальный вход 40 фазового детектора 32. Блоки 33 и 34 развязки при рабочем режиме преобразователя находятся в рабочем состоянии, так как через замкнутый ключ 24 на них подается постоянное 45 напряжение питания с зажима 40 питания. С помощью потенциометра 30 осу- . ществляется балансировка входа блока 33 развязки относительно напряже- ния возбуждения: при точной баланси- 50 ровКе сигнал первой гармоники частоты возбуждения на указанном входе отсутствует.

Сигнал удвоенной частоты детектируется фазовым детектором 32, постоянная составляющая на выходе фазового детектора 32,по величине и знаку зависит соответственно от величины и знака разбаланса намагничивающих сил

23 4

A IW. Управляющее напряжение поступает на первый вход сумматора аналоговых сигналов 35. На второй вход сигнал в это время не поступает, так как в рабочем режиме ключи 25 и 26 разомкнуты и входы демодулятора 3 1 отключены от источников сигнала. На третий вход сумматора 35 через работающий блок 34 развязки поступает напряжение с рабочей обмотки 11 (в рабочем режиме выполняет роль обмотки обратной связи). Поэтому на выходе сумматора 35 воспроизводится сумма двух напряжений: выходного напряжения фазового детектора 32 и напряжения обмотки 11. Выходное напряжение сумматора 35 поступает на вход УПТ 36.

Под действием этого.напряжения выходной ток УПТ i„, протекающий в обмотке 12, изменяется и, если ) ьI4 6

c.(hI W), режим равновесия восстанавливается (с точностью до величины динамического. рассогласования), здесь

hI W — предельное значение раэбаланса, при котором рабочая точка компаратора остается в области "истинного" нуля.

Таким образом, благодаря описанному действию контура отрицательной обратной связи ток i„ строго пропорционален измеряемому току i и является его мерой. Связь между этими токами описывается соотношением без учета величины динамического рассогласования .

1х 1 и l-õ W< где i =I„„+i „è „=Т„, + »„, I u I — постоянные или медленно меняющиеся составляющие соответственно компенсирующего и измеряемого токов; и i„„ — мгновенные значения переменной составляющей компенсирующего и измеряемого токов соответственно;

WN и И„ — соответственно количество витков измерительной 13 и компенсационной 12 обмоток.

Жесткая связь между I и Тк к, обеспечивается "медленным" контуром отрицательной обратной связи, в кото" ром в качестве детектора рассогласования используется магнитный модулягор с удвоением частоты, образованный обмотками 6 и 7 ° Использование магнитного модулятора с удвоением

1281023 частоты в качестве детектора компарируемых ампер-нитков позволяет достичь высокой точности преобразования I в I н статическом режиме. о 0

Ввиду узкополосности этого контура 5 динами теская ошибка при изменении измеряемого тока преобразования будет большой.

Переменная составляющая i ä измеряемого тока i из измерительной обмотки 13 трансформируется в компенсационную обмотку 12, так как благодаря наличию массивного экрана маг:нитопроводов 4 и 5 между обмотками 13 и 12 существует прямая магнитная

15 связь и при малом суммарном сопротивлении К в цепи обмотки 12 указанные элементы работают как трансформатор переменного тока.

R эт Вк

20 где „. — величина эталонного резистора 37;

Rä — выходное сопротивление усилителя 36 постоянного тока;

R „ — активное сопротивление обмотки 12.

Этот трансформатор переменного тока охвачен отрицательной обратной связью, вследствие чего существенно снижается погрешность передачи переменной составляющей измеряемого тока в цепь обмотки 12 компенсации.

Таким образом, жесткая связь между 1 и достигается благодаря включению трансформатора переменного тока в контур отрицательной обратной связи с широкой, полосой воспроизводимых частот. Можно показать, 40 что погрешность трансформации в этом случае будет в KM /И„ раз меньше, чем для трансформатора, не охваченного отрицательной обратной связью (К вЂ” коэффициент передачи от соот45 .ветстнующего входа сумматора 35 до выхода усилителя постоянного тока 36; . Ч вЂ” количество витков обмотки 11), Рассмотрим, каким образом в процессе работы преобразователя обеспечивается реализация рабочего режима.

Выходной сигнал,цатчиков 28 и 29 насыщения магнитопроводов имеет низкий уровень, если значение тока в измерительной цепи датчиков ниже определенного порогового значения, в противном случае выходной сигнад датчиков имеет высокий уровень.

В рабочем режиме магнитопроводы 2 и 3 полностью размагничены, индуктивность обмоток 6 н 7 велика и ток в измерительной цепи датчика 28 мал.

Ток в измерительной цепи датчика 29 в рабоче режиме равен нулю (ключ 23 разомкнут). Поэтому в рабочем режиме на оба входа упранления блока 27 поступают сигналы низкого уровня, при этом условии в блоке 27 управления подается команда на коммутатор 21, обеспечивающая замкнутое состояние ключей 22 и 24 и разомкнутое состояние остальных ключей коммутатора 21.

Нарушение рабочего режима при быстром изменении измеряемого тока приводит к насыщению магнитопроводов 2 и 3, ток в цепи обмоток 6 и 7 и, соответственно, в измерительной цепи датчика 28 резко увеличивается, и на выходе датчика 28 появляется сигнал высокого уровня. При подаче на один из входов блока 27 управления сигнала высокого уровня в последнем вырабатывается команда, обеспечивающая замыкание ключей 23, 25 и 26 и размыкание ключей 22 и 24. Такое изменение состояния ключей коммутатора 21 обеспечивает переход измерительного преобразователя из рабочего режима в режим автоматического ввода н рабочую зону.

После перехода устройства н режим ввода ток в измерительной цепи датчика 28 насыщения становится равным нулю, чему соответствует низкий уровень сигнала на его выходе и на соответст1 вующем входе блока 27 управления. Однако на другом входе блока 27 в тот же момент появляется сигнал высокого уровня, так как в измерительной цепи датчика 29 насыщения протекает относительно большой ток обмоток 10 и 11, обусловленный насыщением магнитопроводов 4 и 5 вследствие большого разбаланса намагничивающих сил обмоток 12 и 13. На одном из входов блока 27 управления присутствует сигнал высокого уровня, последний продолжает нырабатывать команду, обеспечивающую работу преобразователя в режиме ввода в рабочую зону.

В режиме ввода к рабочим обмоткам 10 и 11 подводятся однополярные импульсы тока с соответствующего выхода (зажимы 19 и 20) генератора 16 возбужцения. Детектирование разбаланс а ампер-витков обмоток 12 и 13 осу7 12 ществляется демодулятором 31, на вхо ды которого через замкнутые ключи 25 и 26 поступают сигналы с сигнальных обмоток 8 и 9. Напряжение на выходе демодулятора 31 по величине и -знаку соответствует величине и знаку разбаланса намагничивающих сил AIW.

Выходное напряжение демодулятора 31 поступает на второй вход сумматора 35. На другие входы сумматора 35 сигналы не поступают, так как в режиме ввода разомкнуты ключи 22 и 24, а также не работают блоки 33 и 34 развязки. Поэтому на выходе сумматора 35 воспроизводится выходное напряжение демодулятора 31, которое и поступает на вход усилителя 36 постоянного тока.

Под действием этого напряжения ток I на выходе усилителя 36 измеKQ няется до тех пор, пока разбаланс ампер-витков обмоток 12 и 13 не уменьшится до малого значения (до величины действующего рассогласова- ния контура отрицательной обратной связи). В установившемся режиме

1 связь между токами описывается соотношением Ти "и = Тко "к Таким обра

Иoo зом, условия для перехода преобразо- вателя от режима ввода в рабочий режим созданы: разбаланс ампер-витков обмоток 12 и 13 компаратора 1 мал.

Как только преобразователь в режиме ввода в рабочую зону приходит в равновесное состояние, ток в измерительной цепи датчика 29 уменьшается ниже порогового значения. Происходит изменение сигнала на выходе датчика 29: высокий уровень сменяется низким. Теперь на входы блока 27 поступают сигналы низкого уровня.

В блоке 27 управления вырабатывается команда, обеспечивающая замыкание ключей Z2 и 24 и размыкание ключей

23, 25 и 26 коммутатора 21.

Измерительный преобразователь пе- . . реходит в рабочий режим.

Как следует из описания работы преобразователя, в рабочем режиме мгновенное значение тока компенсации является мерой мгновенного значения измеряемого тока с точностью до динамической погрешности контуров отрицательной обратной связи. Преобразование постоянной и переменной составляющих измеряемого тока осуществляется разными контурами. Контур преобразования постоянной составляю87023

5

45 щей, включающий магнитный модулятор с удвоением частоты, обеспечивает высокую статическую точность, но имеет большую динамическую погрешность.

В предложенном преобразователе преобразование переменной составляющей осуществляется с помощью трансформа-. тора переменного тока, обеспечивающего малую динамическую погрешность.

Эта погрешность по сравнению с известным устройством уменьшается примерно в KW /М,раэ. Кроме того, уменьшение динамической погрешности

Ьбеспечивает дополнительно повышение надежности работы в автоматическом режиме, так как вследствие улучшения динамических характеристик вероятность выхода рабочей точки из

1 рабочей зоны компаратора при флюктуациях измеряемого тока резко уменьшается.

Формул а изобретения

Измерительный преобразователь постоянного тока, содержащий магнитный компаратор с магнитным экраном, двумя рабочими магнитопроводами, на каждом из которых расположены соответственно первая и вторая обмотки возбуждения, первой и второй сигнальными обмотками, первой и второй рабочими обмотками, измерительной обмоткой, подключенной к входным клеммам, компенсационной обмоткой, генератор возбуждения с первым и вторым выходными зажимами однополярных импульсов и с первым и вторым выходными зажимами основной частоты, второй из которых соединен с первым выводом второй обмотки возбуждения, второй вывод которой соединен с вторым выводом первой обмотки возбуждения, фазовый детектор, управляющий вход которого соединен с выходом удвоенной частоты генератора возбуждения, первый и второй датчики насыщения магнитопроводов, выход каждого из которых подключен к одному из входов блока управления, выход которого соединен с управляющим входом коммутатора, состоящего из пяти ключей, выход первого ключа коммутатора соединен с первым входным выводом первого датчика насыщения, выход второго ключа коммутатора соединен с первым входным выводом второго датчика насыщения, первые выводы сигнальных обмоток соединены с общим входным выводом демодулятора, а вта1287023

ВНИИПИ Заказ-7711/46

Тираж 730 Подписное

Произв.-полигр. пр-тие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 рые выводы указанных обмоток соответственно через четвертый и пятый ключи коммутатора подключены к первому и второму входным выводам демодулятора, аналоговый сумматора, к первому 5 .входу которого подключен выход фазового детектора, к второму — выход демодулятора, выход аналогового сумматора подключен к входу усилителя постоянного тока, между выходными вы- 10 водами которого включены соединенные последовательно компенсационная обмотка магнитного компаратора и эталонный резистор, к выводам которого подключены выходные зажимы, первые 15 выводы рабочих обмоток соединены между собой, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, магнитный экран магнитного компаратора выполнен в виде внутреннего и внеш-20 него экранирующих магнитопроводов, расположенных коаксиально с рабочими .магнитопроводами, а в преобразователь дополнительно введены поте циометр, первый и второй блоки развязки и два зажима питания, при этом аналоговый сумматор выполнен с тремя входами, первые сигнальная и рабочая обмотки намотаны на внешнем экранирующем магнитопроводе, вторые сиг- 30 нальная и рабочая обмотки намотаны на внутреннем экранирующем магнитопроводе, измерительная и компенсационная обмотки намотаны одновременно на рабочие и экранирующие магнитонро- 35 воды, потенциометр включен между первым выходным зажимом основной частоты, генератора возбуждения, который подключен к входу первого ключа коммутатора, и вторым выходным зажимом основной частоты генератора возбуждения, первый выходной вывод однополярных импульсов соединен с входом второго ключа коммутатора, к первому входному выводу первого блока развязки подключены вторые выводы обмоток возбуждения, к его второму входному выводу — движок потенциометра, а его выход — к сигнальному входу фазового детектора, первый вывод первой обмотки возбуждения соединен с вторым входным выводом первого датчика насыщения, второй вывод первой рабочей обмотки соединен с вторым входным выводом второго датчика насыщЕния,, объединенные выводы рабочих обмоток подключены к входу второго блока развязки, вход питания которого соединен с входом питания первого блока развязки и через третий ключ коммутатора — с первым зажимом питания, второй вывод второй рабочей обмотки соединен с общими выводами блоков развязки, общей шиной, вторым зажимом питания и вторым выходным выводом однополярных импульсов генератора возбуждения, а выход второго блока развязки соединен с третьим входом аналогичного сум матора.