Электрогирационное устройство для бесконтактного измерения высоких напряжений

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в,высоковольтных установках . Цель изобретения - расширение диапазона и повышение точности измерений. Электрогирационное устройство содержит источник 1 света. Uo поляризатор 2, призменный анализатор 6 с двойным лучепреломлением и фотоприемники 7 и 8. В устройство введены N электрогирационных монокристаллов 3 и 4 центросимметричного кристаллографического класса с оптически прозрачными электродами на торцах , М стержней 5 из оптически прозрачного стекла и функциональный преобразователь 9. В описании приведены три примера выполнения функционального преобразователя 9. Под действием измеряемого напряжения в электрогирационных монокристаллах 3 и 4 происходит поворот плоскости поляризации светового луча на определенный угол. Световой луч расщепляется призменным анализатором 6 на два, которые преобразуются фотоприемниками 7 и 8 в напряжение. Выходное напряжение функционального преобразователя 9 равно измеряемому напряжению с точностью до постоянной коэффициента преобразования, который рассчитывается теоретически. 3 з.п. ф-лы, 4 ил. s (Л с: кэ со GO 35 CD со SbK. Фиг,Т

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН (5D 4 G 01 R 15/07

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Фиг3

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3933499/24-21 (22) 22.07.85 (46) 23.03.87. Бюл. 9 11 (71) Проектно-конструкторское бюро электрогидравлики АН УССР (72) В.Г. Николайченко и А.Б. Чиликин (53) 621 317.328(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

У 1092416, кл. С 01 R 13/40, 15.01.84 ° е

Николайченко В.Г. Бесконтактные измерители разрядного напряжения многоконтурных генераторов. — В кн.:

Электроразрядные процессы. Киев:

Наукова думка, 1984, с. 126-136. (54) ЭЛЕКТРОГИРАЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО

ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ ВЫСОКИХ

НАПРЯжКНИЙ (57) Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в,высоковольтных установках. Цель изобретения — расширение диапазона и повышение точности измерений. Электрогирационное устройство содержит источник 1 света, Л0, 1298669 А1 поляризатор 2, призменный анализатор 6 с двойным лучепреломлением и фотоприемники 7 и 8. В устройство введены Б электрогирационных монокристаллов 3 и 4 центросимметричного кристаллографического класса с оптически прозрачными электродами на торцах, M стержней 5 из оптически прозрачного стекла и функциональный преобразователь 9. В описании приведены три примера выполнения функционального преобразователя 9. Под действием измеряемого напряжения в электрогирационных монокристаллах 3 и 4 происходит поворот плоскости поляризации светового луча на определенный угол. Световой луч расщепляется призменным анализатором 6 на два, которые преобразуются фотоприемниками

7 и 8 в напряжение. Выходное напряжение функционального преобразователя

9 равно измеряемому напряжению с точностью до постоянной коэффициента преобразования, который рассчитывается теоретически. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1298669

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано в высоковольтных установках.

Целью изобретения является рас- 5 ширение диапазона и повышение точности измерений.

На фиг. 1 изображена функциональная схема электрогирационного уст. ройства для бесконтактного измерения высоких напряжений; на фиг. 2 — схема аналогового функционального преобразователя; на фиг. 3 — то же, первый тип; на фиг. 4 — то же, второй тип, 15

Электрогирационное устройство содержит оптически связанные источник 1 света, поляризатор 2, электрогирацианные монокристаллы 3 и 4 центросимметричного кристаллографического 20 класса с оптически прозрачными электродами на торцах, стержень 5 из оптически прозрачного стекла, призмен-ный анализатор 6 с двойным лучепреломлением, выходы которого оптически 25 связаны с входами первого 7 и второго 8 фотоприемников, и функциональный преобразователь 9, первый и второй входы которого соединены с выходами первого 7 и второго 8 фотопри- 30 емников. Измеряемое напряжение U подводится к оптически прозрачным электродам на торцах электрогирационных кристаллов 3 и 4. Причем в общем случае измерительный преобразователь может содержать М электрогирационных монокристаллов и И стержней из оптически прозрачного стекла с оптически прозрачными электродами на торцах стержней и монокристаллов.

Стержни и монокристаллы между собой соединяются оптически последовательно в произвольном порядке. Измеряемое напряжение подводится к двум или нескольким электродам на торцах стерж- 45 ней и монокристаллов, что позволяет менять чувствительность преобразователя изменением места подключения измеряемого высокого напряжения. При подключении U (сплошная линия, 50 фиг. 1), т.е. когда монокристаллы включены электрически последовательно, чувствительность устройства минимальна, а верхний предел измеряемых напряжений высок. При подключении Uo к нескольким электродам (фиг. 1, пунктирная линия), т.е. при электрически параллельном включении монокристаллов, чувствительность повышается в два раза, что позволяет измерять с высокой точностью более низкие напряжения., т.е. расширить динамический диапазон измерений вниз.

Функциональный преобразователь 9 (фиг. 2) состоит из четырех сумматоров 10-13, трех умножителей 14-16, двух операционных усилителей 17 и 18 и четырех резисторов 19-22. Входы сумматоров 10 и 11 подключены параллельно к первому и второму входам функционального преобразователя 9 °

Выход первого сумматора 10 соединен с первым входом первого умножителя 14, второй вход которого соединен c первым выводом первого резистора 19 и с выходом первого операционного усилителя 17, неинвертирующий вход которого соединен с шиной 23 нулевого потенциала, а инвертирующий вход через второй резистор 20 соединен с выходом второго сумматора 11 и через третий резистор 21 — с выходом первого умножителя 14, неинвертирующий вход второго операционного усилителя 18 соединен с общей шиной 23, а инвертирующий вход — с вторым выводом первого резистора 19 и с первым выводом четвертого резистора 22, второй вывод которого соединен с первым входом третьего сумматора 12 и с выходом четвертого сумматора 13.

Выход второго. операционного усили- теля 18 соединен с вторым входом третьего сумматора 12, с первым и вторым входами третьего .умножителя

15, с первым. входом четвертого сум- . матора 13 и с выходом функционального преобразователя.

Второй вход четвертого сумматора

13 соединен с выходом четвертого умножителя 16, первый вход которого соединен с выходом третьего сумматора 12, а второй вход — с выходом третьего умножителя 15.

Функциональный преобразователь 9 (фиг. 3) содержит вычислительный блок 24, блок 25 постоянной памяти, блок 26 оперативной памяти, два коммутатора 27 и 28, два буферных запоминающих элемента 29 и 30, два аналого-цифровых преобразователя 31 и

32, цифроаналоговый преобразователь

33, блок 34 вывода, блок 35 ввода, счетчик 36 адреса, два сумматора 37 и 38 и три шины: адреса 39, данных

40 и управления 41. Соответствующие входы вычислительного блока 34, бло12986 ка 25 постоянной памяти и блока 26 оперативной памяти соединены соответственно с шинами данных 40, адреса

39 и управления 41. Соответствующие входы блока 35 ввода, блока 34 вывода и коммутаторов 27 и .28 соединены соответственно с шинами данных 40 и управления 41, соответствующие входы буферных запоминающих элементов

29 и 30 соединены соответственно с шинами данных 40 и управления 41, соответствующие входы счетчика 36 адреса соединены с шиной адреса 39 и с шиной управления 41.

Входы сумматоров 37 и 38 подключены параллельно первому и второму входам функционального преобразователя 9. Выход первого сумматора 37 соединен с входом первого аналогоцифрового преобразователя 31, выход 20 которого соединен с соответствующим входом первого коммутатора 27. Выход второго сумматора 38 соединен с входом второго аналого-цифрового преобразователя 32, выход которого соединен с соответствующим входом второго коммутатора 28, Входы аинхронизации аналого-цифровых преобразователей 31 и 32 соединены с шиной управления. Выходы первого 27 и второго 2830 коммутаторов соединены с соответствующими входами первого 29 и второго

30 буферных запоминающих элементов.

Выход блока 34 вывода соединен с входом цифроаналогового преобразовате- 35 ля 33, выход которого является выходом устройства.

Функциональный преобразователь 9 (фиг, 4) содержит два аналого-цифровых преобразователя 42 и 43, блок 44 40 постоянной памяти, цифроаналоговый преобразователь 45. Входы аналогоцифровых преобразователей 42 и 43 соединены соответственно с первым и вторым входами функционального преобра- 45 эователя, а выходы — с соответствующими адресными входами блока 44 постоянной памяти, выход которого соединен с входом 46, выход которого является выходом устройства. 50

Устройство работает следующим образом.

Световой луч с интенсивностью Iö, генерируей источником света 1. 55 поляризуется поляризатором 2 и проходит оптическую систему из электрогирационных монокристаллов 3 и 4 и оптически прозрачного стержня S. Под

69 4 действием измеряемого напряжения U

0 в электрогирационных монокристаллах

3 и 4 происходит поворот плоскости поляризации светового луча на угол

Затем световой луч расщепляется призменным анализатором 6 на два, которые преобразуются фотоприемниками 7 и 8 с коэффициентом преобразования Кр в напряжения U< и U

U, =(I„/2) K+(1+s in2 эг); п /2) К (1-s Ы2 5 эг)

Функциональный преобразователь 9 преобразует U, и U в напряжение

0 -02

U = arcsin =2) =K U

Вых U +11 эг пр о

2 т.е. выходное напряжение Ue„ä функционального преобразователя равно измеряемому U с точностью до постоянной К вЂ” коэффициента преобрапр зования, который рассчитывается теоретически и уточняется при калибровке устройства.

Функциональный преобразователь 9 (фиг. 2) работает следующим образом.

Первый сумматор 10 выполняет операцию суммирования напряжений U H U и на его выходе образуется сумма

<О + 2 и

Второй сумматор 11 выполняет операцию вычитания напряжений П, и Б2 и на его выходе образуется разность ц н =П 02= в К р з п 2 эг °

Операционный усилитель 17 работает в линейном режиме, поддерживая напряжение на выходе UI< таким, что разность напряжений между его входами близка к нулю. Считая операционный усилитель идеальным, можно полагать, что его входной ток равен нулю, а напряжение на инвертирующем входе равно напряжению на неинвертирующем входе, т.е. тоже равно нулю, поэтому токи, протекающие через резисторы 20 и 21, равны

20 Ф / 21 > где U =U 2, U — напряжение на выходе умножителя 14.

5 1

Следовательно, напряжение U на выходе операционного усилителя 17

Н, =(Н,„ /К ) (U«7 UÄ)= 2(Н(Н2 В 2( (U,U гО (+ 2 го не зависит от Х„и К,.

Для вычисления arcsin U используется неявная кубическая аппроксимация функции sin х вида

298669 поэтому

Н2

U»,х =ar csin 2 эг °

5 Функциональный преобразователь 9 на основе вычислительного блока (фиг. 3) работает следующим образом.

На выходах сумматоров 37 и 38 обо разуются напряжения

U3$ K (U„U2) г(К K sx.n2 b3г;

1,00042 х — 0,111382 х3

1+0,056646 х

=О, 1 1 1 382 U,8 +О, 056646 И13, где U(9 — напряжение на выходе сумматора 13.

Напряжение на выходе умножителя 16 30

U((12 U(3 12 U« °

Напряжение U равно разности

U,9 =1,00042U(s -U(s =1,00042U(s—

0,056646Н(3 ° Н2 -0,1113820, в откуда

1,00042U, -О, 111382U38

1+0,056646U, (В т.е. 0(3 является кубической аппроксимацией функции от U« .

Операционный усилитель 18 работает 45 в линейном режиме, поэтому токи через резисторы 19 и 22 равны, т.е.

Ц(U1 — — следовательно, с учетом (9 22 того, что U„> =sinU,>, получают

R22

Uв„„=U« =arcsin

19

В 22 R2(= arcsin (R(e R2o и

Н2 х ).

19-21 выбираНаминалы резисторов ются так, что

2((9 20 имеющая теоретическую погрешность не более 0,009 от полной шкалы во (7 всем диапазоне от — — до — .

2 2

Выходное напряжение U операцион-20 ного усилителя 18 преобразуется умножителем 15 в напряжение U =U, . Напряжение U на выходе сумматора 12 равно сумме

2 ((()

1 1 .1-K(i ) °

& -K(i) х; 2

1 х;, =х; — (; ((1;„=ф-(, arctg 2 "" ;

sign); =sign Z; sign х,.

U3s =U1++U2= (I Ку где К вЂ” переменный коэффициент уси3 ления сумматора, устанавливаемый оператором.

Напряжения U> и Уэв преобразуются аналого-цифровыми преобразователями 31 и 32 в цифровые коды. При этом возможны два режима работы.

В первом режиме цифровые отсчеты аналого-цифровогЪ преобразователя обрабатываются вычислительным блоком

24 по мере их поступления. Этот режим характеризуется низким быстродействием и используется при измерении постоянных и медленно изменяющихся напряжений. В этом случае вычислительный блок 24 через шину 41 управления запускает аналого-цифровые преобразователи 31 и 32, а затеи через коммутаторы 27 и 28 и шину 40 данных считывает их цифровые отсчеты.

Далее вычислительный блок 24, считывая команды из блока 25 постоянной ,памяти и, используя для хранения промежуточных результатов блок 26 оперативной памяти, вычисляет вначале отношение Нэ(jK1)U3((а затем

arcsin от полученной величины. Деление U íà U98 выполняется по известному методу со сдвигом остатка влево.

Коэффициент Ку выбирается кратным степени двойки и учитывается путем сдвига делимого Ув(на Е(((Ку) двоич ных разрядов вправо, что позволяет в К раэ расширить динамический диау пазон измеряемых йапряжений. Вычисление функции arcsin выполняется по итерационному методу "цифра за цифрой по следующим формулам:

1298669

i/2, если i четное (i-2)/2, если i нечетное при начальных условиях х =1/С Т о

» 5 о =0» о- » Ч о =0 °

Константы х @ =arctg 2 и

С,= П хранятся в блоке 25 соз о»; постояиной памяти. f0

В результате вычислений получается величина qz„=arcsin Y» которая затем через блок 34 вывода и цифроаналоговый преобразователь преобразуется в аналоговое напряжение- 15

Пк

П „„=arcsin „ = 28,.

»»<+П

Во втором режиме цифровые отсчеты аналого-цифровых преобразователей 31 20 и 32 через коммутаторы 27 и 28 заносятся с высокой скоростью в буферные запоминающие элементы 29 и 30 до их заполнения, после чего вычислительный блок 24 сравнительно медленно об-25 рабатывает их. Этот режим характеризуется более высоким быстродействием и используется для измерений и регистрации быстропротекающих процессов, например переходных процессов в сило- 30 вых цепях при высоковольтном электрическом разряде в жидкости. В этом режиме вычислительный блок 24 по запросу на прерывание отключает свои выходы от шины 39 и запускает счетчик

36 адреса, одновременно переводя коммутаторы 27 и 28 в режим подключения . входов буферных запоминающих элементов 29 и 30 к выходам аналого-цифровых преобразователей 31 и 32. 40

Счетчик 36 адреса через шину 41 управления синхронизирует работу| аналого-цифровых преобразователей

31 и 32 и устанавливает на шине 39 адреса адрес, по которому за- 45 носятся в буферные запоминающие элементы 29 и 30 цифровые отсчеты аналого-цифровых преобразователей 31 и 32, увеличивая адрес в каждом такте на единицу. 50

После заполнения буферных запоминающих элементов 29 и 30 счетчик

36 адреса останавливается и отключается от шины 39 адреса. Вычислитель- 55 ный блок 24 по шине 41 управления переключает коммутаторы 27 и 28 в режим коммутации входов буферных запоминающих элементов 29 и 30 на шину

40 данных и приступает к обработке содержимого буферных запоминающих элементов 29 и 30 так же как и в первом режиме. Блок 35 ввода используется для ввода значения коэффициента и выбора режима работы.

Функциональный преобразователь 9 на основе блока постоянной памяти (фиг. 4) работает следующим образом.

Аналого-цифровые преобразователи

42 и 43 преобразуют напряжения U u

U в цифровые коды, которые определяют адреса блока 44 постоянной памяти, по которому хранится цифровой эквивалент, соответствующий зависимости arcsxn (U, U )/(U +U ).

Полученный таким образом цифровой код поступает на вход цифроаналогового преобразователя 45 и преобрауеTcB B напряже»»ие U8ûõ

Формула изобретения

1. Электрогирационное устройство для бесконтактного измерения высоких напряжений, содержащее оптически связанные источник света, поляризатор, электрогирационный монокристалл центросимметричного кристаллографического класса с оптически прозрачными электродами на торцах и призменный анализатор с двойным лучепреломлением, выходы которого оптически связаны с входами первого и второго фотоприемников, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона и повышения точности измерения, дополнительно введены N электрогирационных монокристаллов центросиммет,ричного кристаллографического класса с оптически прозрачными электродами на торцах, M стержней оптически прозрачного стекла и функциональный преобразователь» причем монокристаллы и стержни оптически последовательно соединены между собой, контакты для подключения измеряемого напряжения соединены с двумя или несколькими электродами на торцах монокристаллов, а выходы фотоприемников соединены соответственно с первым и вторым входами функционального преобразователя, 2. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что функциональный преобразователь содержит четыре сумматора, три умножителя, два операционных усилителя и четыре резистора, причем первые и вторые вхо1298669 ды первого и второго сумматоров подключены параллельно к первому и второму входам функционального преобразователя, выход первого сумматора соединен с первым входом первого умножителя, второй вход которого соединен с пЕрвым выводом первого резистора и с выходом первого операционного усилителя, неинвертнрующий вход которого соединен с шиной нулевого 10 потенциала, а инвертирующий вход через второй резистор соединен с выходом второго сумматора и через третий резистор — с выходом первого умножителя, неинвертирующий вход второго операционного усилителя соединен с общей шиной, а инвертирующий вход— с вторым выводом первого резистора и с первым выводом четвертого резистора, второй вывод которого соединен с 20 первым входом третьего сумматора и с выходом четвертого сумматора, выход второго операционного усилителя соединен с вторым входом третьего сумматора, с первым и вторым входами третьего умножителя, с первым входом четвертого сумматора и с выходом функционального преобразователя, вто..рой вход четвертого сумматора соединен с выходом четвертого умножителя, З0 первый вход которого соединен с выходом третьего сумматора, а второй вход - с выходом третьего умножителя.

3. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что функцио- 35 нальный преобразователь содержит вычислительный блок, блок постоянной памяти, блок оперативной памяти, два коммутатора, два буферных запоминающих элемента, два аналого-цифровых 40 преобразователя, цифроаналоговый преобразователь, блок вывода, блок ввода, счетчик адреса, два сумматора и три шины - адреса, данных и управления причем соответствующие входы 4» вычислительного блока, блока постоянной памяти и блока, оперативной памяти соединены соответственно с шинами данных, адреса и управления, соответствующие входы блока ввода, блока вывода и коммутаторов соединены соответственно с шинами данных и управления, соответствующие входы буферных запоминающих элементов соединены соответственно с шиной данных и с шиной управления, соответствующие входы счетчика адреса соединены с шиной адреса и с шиной управления, первые и вторые входы сумматоров подключены параллельно к первому и второму входам функционального преобразователя, выход первого сумматора соединен с входом первого аналогоцифрового преобразователя, выход которого соединен с соответствующим входом первого коммутатора, выход второго сумматора соединен с входом второго аналого-цифрового преобразоватепя, выход которого соединен с соответствующим входом второго коммутатора, входы синхронизации аналого-цифровых преобразователей соединены с шиной управления, выходы первого и второго коммутаторов соединены с соответствующими входами соответственно первого и второго буферных зао поминающих элементов, а выход блока вывода соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого является выходом устройства.

4. Устройство по п.i о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что функциональный преобразователь содержит два аналого-цифровых преобразователя, блок постоянной памяти и цифроана-. логовый преобразователь, причем входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей соединены соответственно с первым и вторым входами функционального преобразования, а выходы — с соответствующими адресными входами блока постоянной памяти, вы" «:.« которого соединен с входом цифроаналогового преобразователя, выход которого является выходом устройства.

1298б69

1298б69

СоСтавитель В. Степанкин

Редактор N. Бланар Техред,Н.Глущенко Корректор А. Зимокосов

Заказ 884/47 Тираж 731 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4