Измеритель постоянного тока

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

„„5U„„1767447 А1 (я)з G 01 R 19/20

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4754254/21 (22) 27,10.89 (46) 07.10.92. Бюл. N. 37 (71) Обьединенный институт ядерных исследований (72) В.В.Калиниченко (56) 1. Спектор С,А. Измерение больших постоянных токов. Л,; Энергия, 1979, 2. Авторское свидетельство СССР

М 1451612, кл. G 01 R 19/20, 1987, (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА (57) Использование: в устройствах для измерения постоянных токов большой силы, Сущность изобретения; устройство содержит эталонный резистор 1, усилитель 2 постоянного тока, измерительный узел 3, содержащий измерительную обмотку 4, обмотку 5 обратной связи, преобразователь

6 разбаланса ампервитков, первую 7, вторую 8 и N-ю 9 секции компенсационной обмотки, блок 10 реверса, цифровой коммутатор 11, источник 12 эталонного тока, датчик 13 полярности измеряемого тока, аналого-цифровой преобразователь 14, компараторы 15, 16 напряжения, источникл

17, 18 опорного напряжения, элементы И 19, 20, генератор 21 тактовых импульсов, реверсивный счетчик 22, вычислительный блок 23, дешифратор 24, индикатор 25. 3 ил.

1767447

55

Изобретение относится к области электроизмерений и может быть использовано для измерения постоянных токов большой силы.

Известен измеритель постоянного тока (1), содержащий измерительную и три компенсационные обмотки, регулируемый источник постоянного тока, эталонный резистор, усилитель постоянного тока, генератор возбуждения, синхронный демодулятор, детектор насыщения магнитопроводов, магнитный экран и преобразователь разбаланса ампервитков, включающий два магнитопровода с обмотками. возбуждения, соединенных последовательно-встречно, свободные выводы к выходу генератора возбуждения, объединенный вывод — к сигнальному входу синхронного демодулятора, выход которого подключен к входу усилителя постоянного тока, причем выход последнего через первую компенсационную обмотку. подключен к эталонному резисто.ру, который через вторую компенсационную обмотку подключен к выходу регулируемого источника постоянного тока, а третья компенсационная обмотка подключена к эталонному резистору параллельно.

Главным недостатком этого измерителя является невозможность его работы в автоматическом режиме, что обусловлено наличием "ложных" нулей на статической характеристике преобразователя разбаланса ампервитков, Наличие указанных "ложных" нулей усложняет процесс измерения, измерение может осуществляться только при участии оператора.

Известен измерительный преобразова-. тель постоянного тока (2), являющийся наиболее близким техническим решением к изобретению, он содержит эталонный резистор, усилитель постоянного тока, измерительный узел, содержащий преобразователь разбаланса ампервитков, измерительную обмотку, первый вывод которой подключен к входу устройства, компенсационную обмотку и индикатор.

Основной недостаток прототипа состоит в том, что при больших значениях измерительного тока не обеспечивается регистрация относительно небольших его отклонений, Это обусловлено тем, что при использовании в прототипе выпускаемых промышленностью аналого-цифровых преобразователей (АЦП) получается относительно высокая цена единицы самого младшего разряда дискретного преобразования, Поэтому высокие метрологические характеристики аналоговой части (разрешение порядка 1 мА) прототипа измерителя не реализуются при такой цифровой регистра5

45 ции. Этим и вызвана сравнительно низкая точность, обеспечиваемая прототипом в диапазоне больших (десятки килоампер) токов.

Изложенное можно иллюстрировать следующим примером.

Пусть при величине измеряемого тока

10 кА требуется достоверно регистрировать

его измерение на 0,01 А. Для решения этой задачи в прототипе должен быть использован как минимум 20-разрядный АЦП. Пока доступны АЦП 12 — 16-разрядные, что обеспечивает в лучшем случае разрешение порядка 0,15 А (при 16-разрядном АЦП).

Целью изобретения является повышение точности при измерении больших токов, Цель достигается тем, что в измеритель постоянного тока, содержащий эталонный резистор, усилитель постоянного тока, измерительный узел, содержащий преобразователь разбаланса ампервитков, измерительную обмотку, первый вывод которой подключен к входу устройства, компенсационную обмотку и индикатор, введены датчик полярности измеряемого тока, источник эталонного тока, цифровой коммутатор, блок реверса, АЦП, два источника опорного напряжения, реверсивный счетчик, два компаратора напряжения, два элемента И, вычислительный блок, дешифратор, генератор тактовых импульсов, а измерительный узел снабжен обмоткой обратной связи, выводы которой один непосредственно, другой через эталонный резистор подключены к выходам усилителя постоянного тока, вход которого подключен к выходу преобразователя разбаланса ампервитков, при этом выход источника эталонного тока подключен к входным выводам цифрового коммутатора, выходные выводы которого и потенциальные выводы эталонного резистора соединены с соответствующими входами блока реверса, выходы которого подсоединены соответственно к объединенным первым входам АЦП и компараторов напряжения и объединенным вторым входам АЦП и компараторов напряжения и к выводам компенсационной обмотки, которая выполнена в виде отдельных секций с разным числом витков, второй вывод измерительной обмотки соединен через датчик полярности измеряемого тока с выходом устройства, выход датчика полярности измеряемого тока соединен с управляющим входом блока реверса, выходы первого и второго компараторов напряжения соединены соответственно с первыми входами элементов И, вторые входы которых соединены с выходом генератора тактовых импульсов, а выходы соединены соответст1767447

20

30

40

50 венно с входами прямого и обратного счета реверсивного счетчика, выходы которого соединены с управляющими входами цифрового коммутатора, информационные выходы которого соединены с первой группой входов вычислительного блока, вторая группа входов которого соединена с выхо-. дами АЦП, а выходы соединены с входами дешифратора, выходы которого соединены с входами индикатора, один из входов дешифратора соединен с информационным выходом блока реверса, выходы первого и второго источников опорного напряжения подключены к соответствующим входам первого и второго компараторов напряжения.

На фиг. 1 приведена блок-схема предложенного измерителя постоянного тока; на фиг. 2 — принципиальная схема блока реверса (пример выполнения); на фиг. 3 — принципиальная схема цифрового коммутатора (пример выполнения), Предложенное устройство содержит эталонный резистор 1, усилитель 2 постоянного тока, измерительный узел 3 с уравновешиванием ампервитков постоянных токов, который включает измерительную обмотку 4, обмотку 5 обратной связи, преобразователь 6 разбаланса ампервитков, первую 7, вторую 8 и N-ю 9 секции компенсационной обмотки, Устройство содержит также блок 10 реверса, цифровой коммутатор 11, источник

12 эталонного тока, датчик 13 полярности измеряемого тока, АЦП 14, первый 15 и второй 16 компараторы напряжения, источники 17 и 18 опорного напряжения, первый 19 и второй 20 элементы И, генератор 21 тактовых импульсов, реверсивный счетчик 22, вычислительный блок 23, дешефратор 24 и индикатор 25. Вычислительный блок 23, строится по известным принципам и на основе известных базовых узлов, Например, возможен вариант его реализации, включающий микропроцессор, память, блоки ввода-вывода.

Первый вывод измерительной обмотки

4 подключен к первому входному выводу 26 устройства, второй выходной вывод 27 которого через датчик 13 полярности измеряемого тока подключен к второму выводу измерительной обмотки 4, Входные выводы

28 — 33 блока 10 реверса подключены к соответствующим выходным выводам цифрового коммутатора11. К входным выводам34 и 35 блока 10 реверса подключены потенциальные выводы эталонного резистора 1.

Первая 7, вторая 8 и N-я 9 секции компенсационной обмотки подключены к выходным выводам 36 — 41 блока 10 реверса, к выходным выводам 42 и 43 которого подключены соответственно объединенные сигнальные выводы АЦП 14, первого 15 и второго 16 компараторов напряжения. К соответствующим входам компараторов 15 и 16 напряжения подключены источники 17 и 18 опорного напряжения.

К входам прямого и обратного счета реверсивного счетчика 22 подключены соответственно выходы первого 19 и второго 20 элементов И, входы которых подключен.. соответственно к выходам компараторов

15, 16 и генератору 21 тактовых импульсов.

Выходы реверсивного счетчика 22 подключены к управляющим входам цифрового коммутатора 11, К входным выводам цифрового коммутатора 11 подключен источник 12 эталонного тока.

Вход индикатора 25 подключен"к выхо-. ду дешифратора 24, входы которого подключены к информационному выходу блока 10 реверса и к выходам вычислительного блока

23. Входы вычислительного "блока 23 подключены соответственно K выхоДам АЦП 14 и к информационным выхбдам цифрового коммутатора 11, Управляющий вход блока

10 реверса подключен к выходу датчика 13 полярности измеряемого тока.

Обмотка 5 обратной связи через эталонный резистор 1 подключена к выходу усилителя 2 постоянного тока, вход которого подключен к преобразователю 6 разбаланса ампервитков, Приведенный на фиг. 2 блок 10 реверса на основе электромагнитных реле практически не нуждается в дополнительных пояснениях. Переключающий контакт 44 подключен к информационному выходу бло ка 10 реверса, В зависимости от состояния блока 10 реверса (т.е. от полярности измеряемого тока) на информационном выходе будет сигнал высокого или низкого уровней ("1" или "0") относительно общей шины.

Представленный на фиг, 3 цифровой коммутатор 11 выполнен на основе бесконтактных ключей 45 — 50 постоянного тока, цепи управления которых имеют гальваническую развязку от токовых цепей. Управляющие входы ключей 45 — 50 постоянного тока являются управляющими входами цифрового коммутатора 11, В выходных цепях цифрового коммутатора включены датчики

51 — 53 тока в секциях компенсационной обмотки. Выходные цепи датчиков 51 — 53 имеют гальваническую развязку от токовых цепей. В зависимости от отсутствия или наличия тока в данной секции компенсационной обмотки напряжение на выходе соответствующего" датчика соответствует уровню "0" или "1". Датчики 51-53 тока мо1767447 гут быть выполнены на основе датчиков Холла, дросселей насыщения и пр. Выходы датчиков 51 — 53 являются информационными выходами цифрового коммутатора 11.

Преобразователь разбаланса ампервитков описан в прототипе. Он содержит элементы 5 — 13, 15, 16 и 17, Датчик 13 полярности измеряемого тока может быть выполнен, например, на основе датчика Холла и усилителя постоянного тока (УТП), к выходу которого подключена обмотка электромагнитного реле блока 10 реверса. В конструкцию датчика

13 входит магнитопровод с воздушным зазором, который надет на токопровод, соединяющий второй ", ывод обмотки 4 с выводом 27. Датчик Холла помещается в воздушном зазоре магнитопровода. Вход

УПТ подключен к выходу датчика Холла.

При отрицательной полярности измеряемого тока на выходе датчика Холла отрицательное. напряжение и УПТ заперт. При положительной поля рности измеряемого тока на выходе датчика Холла положительное напряжение и УПТ открывается, ток поступает в обмотку электромагнитного реле и состояние блока 10 реверса изменяется.

Устройство работает следующим образом.

Измеряемый ток 1 подводится к входным выводам 26, 27 устройства и протекает через измерительную обмотку 4 (с числом витков ЧЧп) и датчик 13 полярности измеряемого тока. Протекающий по измерительной обмотке 4 ток I создает намагничивающую силу (н.с.) IW>, направление которой определяется знаком (направлением) тока I. В соответствии с сигналом с датчика 13 полярности блок 10 реверса устанавливается в положение, при котором ток I» (подводимый от источника 12 эталонного тока к секциям компенсационной обмотки через цифровой коммутатор 11 и блок 10 реверса) создает н.с. ОэтМ/к, направленную навстречу н.с. IW> (ЧЧк — число включенных витков компенсационной обмотки), Таким образом, на преобразователь 6 разбаланса ампервитков в этот начальный момент рассмотрения действует результирующая н.с., равная IWn — 1Э ЧЧк. Под действием этой н.с, преобразователь 6 разбаланса ампервитков вырабатывает сигнал, который поступает на вход усилителя 2 постоянного тока и вызывает изменение тока I«, поступающего в обмотку 5 обратной связи (с числом витков Woc) от усилителя 2, Обмотка 5 обратной связи при протекании тока 1О создает н.с, 1осЧЧос, направленную навстречу н.с. IWo — I W .

Измерительный узел 3 и усилитель 2 постоянного тока образуют замкнутую систему авторегулирования, действие которой направлено на поддержание баланса н.с., 5 действующих на преобразователь 6 разбаланса ампервитков:

1ЧЧи — !этЧЧк — locWoc = Ь1ЧЧд, 10 где Л1ЧЧд — действующее рассогласование в замкнутом контуре авторегулирования, При большом усилении в контуре авторегулирования действующее рассогласование является пренебрежимо малой

15 величиной, -..е. Ь1ЧЧд =О, Тогда! ЧЧи — 1этЧЧк = 1 ocWoc

1ос = (1ЧЧи — 1»ЧЧк)/Woc (2) (3) 20

Ток 1«по эталонному резистору 1, создаваемая на нем падение напряжения

Од = locR» (4) где R» — номинал эталонного резистора 1, Напряжение Од поступает на входы

АЦП 14 и компараторов 15, 16 напряжения.

30 Пороги срабатывания компараторов 15 и 16 установлены соответственно+Оп и -Un. Если напряжение Од удовлетворяет условию (5) -Оп Од +Оп, 35 уровни напряжений на выходах компарато-ров 15 и 16 (и соответственно на входах элементов И 19 и 20) таковы, что тактовые импульсы с генератора 21 не проходят на

40 входы реверсивного счетчика 22 и его состояние не изменяется. Соответственно не изменяется и состояние цифрового коммутатора 11.

При увеличении измеряемого тока (по

45 абсолютному значению) происходит изменение Од, пусть Од >+Оп. В этом случае на вход первого элемента И 19 с выхода компаратора 15 поступает уровень сигнала, обеспечивающий прохождение тактовых

50 импульсов с генератора 21 на вход прямого счета реверсивного счетчика 22, Состояние счетчика 22 изменяется, соответственно изменяется состояние цифрового коммутатора 11, что проводит к изменению количества

55 включенных витков компенсационной обмотки, а следовательно, и величины н,с.

I»Wg. Указанные изменения происходят до тех пор, пока не будет достигнуто выполнение условия (5).

,767447

50

Аналогично при уменьшении измеряемого тока нап„,.жение Уд изменяется так, что 0д < — Оп. В этом случае на вход второго элемента И 20 с выхода компаратора 16 поступает уровень сигнала, обеспечивающий прохождение тактовых импульсов с генератора 21 на вход обратно"o счета реверсивного счетчика 22. В результате состояние счетчика 22 и состояние коммутатора 11 изменяются до тех пор, пока не будет достигнуто выполнение условия (5), При выполнении условия (5) напряжение Од является высокоточным эквивалентом тока Ioc, последний, в свою очередь, является высокоточным эквивалентом разбаланса ИЧн — 4;В4, Напряжение 0д преобразуется АЦП 14 в код, выражаемый числом

Nn. С учетом этого из соотношений (2) и (4) имеем

I = NxIstЮн + п п ос/WnRsт, (6) где N — числовое выражение кода, выдаваемого цифровым коммутатором 11 (численно равно количеству включенных витков компенсационной обмотки); Wn u Woc — неименованные числа, равные количеству витков измерительной обмотки 4 и обмотки 5 обратной связи соответственно; Sn— цена единицы младшего разряда кода

АЦП 14, Коды, соответствующие числам NK и Nn, передаются к вычислительному блоку 23, причем с АЦП 14 кроме кода числа Nn передается и информация о знаке 0д. В памяти вычислительного блока 23 хранятся значения коэффициентов при N- :и Nn (соответственно значения Isx/Wn и Sn Woc/WnRsx), В вычислительном блоке 23 производятся в соответствии с соотношением (6) операции и полученный код величины тока передается на дешифратор 24, на который поступает также информация о направлении (знаке) тока 1 от блока 10 реверса. С дешифратором

24 связан индикатор 25, на экране которого представляется информация о величине и знаке тока I.

Из описания работы предложенного устройства следует, что разрядность устройства существенно выше разрядности применяемого АЦП. Если выбор параметров узлов устройства подчинить условию паэт/Wn 2 " — 1)ЯпВ/ос/WnRsx, то разрядность Ми предложенного измерителя постоянного тока

Ми = к+ Мп. где Мк и Mn — разрядности цифрового коммутатора 11 и АЦП 14 соответственно.

Таким образом, предложенное техническое решение на основе доступных 8 — 16разрядных АЦП позволяет реализовать

45 измеритель постоянного тока с разрядностью и реобразования более 20 бит, Следует особо подчеркнуть, что это вполне реально, так как измерительный узел с уравновешиванием ампервитков постоянного тока на основе магнитного модулятора с удвоением частоты имеет дрейф нуля, приведенный к одновитковой измерительной обмотке, на уровне (100 — 1) 10 А витков, Цель изобретения достигнута.

Форм",:ла изобретения

Измеритель постоянного тока, содержащий эталонный резистор, усилитель постоянного тока, измерительный узел, содержащий преобразователь разбаланса ампервитков, измерительную обмотку, первый вывод которой подключен к входу устройства, компенсационную обмотку, индикатор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности при измерении больших токов, введены датчик полярности измеряемого тока, источник эталонного тока, цифровой коммутатор, блок реверса, аналого-цифровой преобразователь два источника опорного напряжения, реверсивный счетчик, два компаратора напряжения, два элемента И, вычислительный блок, дешифратор, генератор тактовых импульсов, а измерительный узел снабжен обмоткой обратной связи, выводы которой, один непосредственно, другой через эталонный резистор, подключены к выходам усилителя постоянного тока, вход которого подключен к выходу преобразователя разбаланса ампервитков, выход источника эталонного тока подключен к входным выводам цифрового коммутатора, выходные выводы которого и потенциальные выводы эталонного резистора соединены с соответствующими входами блока реверса, выходы которого подсоединены соответственно к объединенным первым входам аналогоцифрового преобразователя и компараторов напряжения и объединенным вторым входам аналого-цифрового преобразовтеля и компаратора напряжения и к выводам компенсационной обмотки, которая выполнена в виде отдельных секций с разным числом витков, второй вывод измерительной обмотки соединен черед датчик полярности измеряемого тока с выходом устройства, выход датчика полярности измеряемого тока соединен с управляющим входом блока реверса, выходы первого и второго компараторов напряжения соединены соответствейно с первыми входами элементов И, вторые входы которых соединены с выходом генератора тактовых импульсов, а выходы соединены соответственно с вхо12

1767447

/ ,Ю к29

I I 32 !

1 ) (1

Г2

Ф. —.

I ф

Составитель В. Калиниченко

Техред М,Моргентал Корректор М. Керецман

Редактор С, Кулакова

Заказ 3546 Тираж — Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рвушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101 дами прямого и обратного счета реверсивного счетчика, выходы которого соединены с управляющими входами цифрового коммутатора, информационные выходы которого соединены с первой группой входов вычислительного блока, вторая группа входов которого соединена с выходами аналого-цифрового преобразователя, а выходы соединены с входами дешифратора, выходы которого соединены с входом индикатора, один из входов дешифратора соединен с информационным выходом блока реверса, 5 выходы первого и второго источников опорного напряжения подключены к соответствующим входам первого и второго компараторов напряжения.