Бесконтактный измерительный преобразователь тока

 

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к измерениям переменных и импульсных токов в электроэнергетике. Техническим результатом является повышение точности измерения тока. Пояс Роговского выполняют в виде двух обмоток и используют дифференциальный усилитель на основе операционных усилителей, повышающий входное сопротивление электронной части устройства и снижающий влияние индуктивности обмоток пояса. 1 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к измерениям переменных и импульсных токов в электроэнергетике.

Известны электромагнитные измерительные трансформаторы тока на основе ферромагнитного сердечника с расположенными на нем обмотками. Недостатком таких устройств является нелинейность магнитопровода, что в ряде случаев приводит к снижению точности преобразования тока.

Известны также измерительные преобразователи тока на основе пояса Роговского и пассивного интегратора (см. Шваб А. Измерения на высоком напряжении (Измерительные приборы и способы измерения). Пер с нем. -М.: Энергия, 1973. -С. 154). Их недостатком является использование пассивного интегратора, что вызывает дополнительные погрешности преобразования.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для измерения токов на основе пояса Роговского и интегрирующего операционного усилителя (ОУ) (см. Волгин Л.И., Матчак А.Т. Бесконтактный датчик тока/Приборы и техника эксперимента. -1976. -N3. -С. 113-115), которое выбрано в качестве прототипа. Использование электронного интегратора позволяет повысить точность преобразования, но прототип имеет следующие недостатки.

Интегрирующий ОУ имеет небольшое входное сопротивление, что приводит к отбору мощности от пояса Роговского. Это снижает уровень сигнала на входе интегратора, что, в свою очередь, способствует возникновению погрешностей из-за роста влияния паразитных факторов (напряжения смещения ОУ, его входных токов, помех). Отметим, что при стремлении увеличить входное сопротивление интегрирующего ОУ выходной сигнал интегратора снижается, что нежелательно. Необходимо отметить также, что вследствие отсутствия ферромагнитного сердечника выходной сигнал пояса часто имеет небольшое значение, и это приводит к дополнительным погрешностям от указанных факторов. Кроме этого, вследствие влияния индуктивности L обмоток пояса Роговского реальная передаточная функция интегратора (имеющего параметры R и C), равная l/(pRC+p²LC), отличается от требуемой, равной l/pRC, что также приводит к погрешностям преобразования тока.

Сущность решения состоит в стремлении получить технический результат, заключающийся в повышении точности измерения тока.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном бесконтактном измерительном преобразователе тока, содержащем пояс Роговского с первой обмоткой и интегрирующий операционный усилитель, выход которого является выходом устройства, особенность заключается в том, что первая обмотка пояса Роговского подсоединена между земляной шиной и неинвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого через первый резистор соединен с его же выходом, вторая обмотка пояса Роговского подключена к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого через второй резистор соединен с его же выходом, между инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей включен третий резистор, выход первого операционного усилителя через четвертый резистор подсоединен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, между инвертирующим входом и выходом которого включен пятый резистор, выход второго операционного усилителя через шестой и седьмой резисторы соединен с земляной шиной, причем общая точка шестого и седьмого резисторов подключена к неинвертирующему входу третьего операционного усилителя, выход которого соединен с входом интегрирующего операционного усилителя.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что заявителем не обнаружено аналога, характеризующегося признаками, тождественными всем признакам заявленного изобретения, а определение из перечня аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

На чертеже представлена схема изобретения. Оно содержит пояс Роговского с первой 1 и второй 2 обмотками, первый ОУ 3, второй ОУ 4, первый 5, второй 6, третий 7, четвертый 8, пятый 9, шестой 10, седьмой 11 резисторы, третий ОУ 12, интегрирующий ОУ 13.

Устройство работает следующим образом.

При измерении тока пояс Роговского охватывает токопровод. При этом предлагается выполнить пояс в виде двух обмоток (1 и 2). На них наводится напряжение, которое пропорционально производной измеряемого переменного или импульсного тока. Узел на основе ОУ 3, 4, 12 и резисторов 5-11 образует дифференциальный усилитель напряжения. Его входное сопротивление (сопротивление нагрузки пояса Роговского) является очень высоким, что исключает влияние индуктивности обмоток пояса Роговского на выполнение операции интегрирования и отбор мощности от пояса, благодаря чему возрастает входное напряжение электронной части преобразователя. Это способствует снижению влияния паразитных факторов (напряжение смещения и входные токи интегрирующего ОУ, помехи).

При выполнении условия R₁₁/R₁₀=R₉/R₈ (R₁₁, R₁₀, R₉, R₈ - сопротивления соответственно резисторов 11, 10, 9, 8) выходное напряжение дифференциального усилителя определится выражением: где (u₁-u₂)=u_вх - входное напряжение дифференциального усилителя, равное разности напряжений обмоток 1 и 2 пояса Роговского, а индексы сопротивлений соответствуют номерам резисторов на схеме устройства.

Выражение (1) показывает возможность дополнительного увеличения входного напряжения интегрирующего ОУ 14 с помощью увеличения коэффициента передачи дифференциального усилителя, что достигается соответствующим изменением сопротивления резистора 7. Это способствует еще большему снижению влияния паразитных факторов и, следовательно, повышению точности измерения тока. Полное симметрирование входной цепи устройства с помощью предложенного решения также позволяет снизить влияние помех.

Конструктивно обмотки 1 и 2 могут быть намотаны на каркасе пояса Роговского либо в виде двух обмоток, каждая из которых равномерно распределена по длине каркаса, либо выполнены в виде одной обмотки (также намотанной равномерно) с выводом от средней точки, т.е. в виде двух полуобмоток.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о том, что средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата, заключающегося в повышении точности измерения тока. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Бесконтактный измерительный преобразователь тока, содержащий пояс Роговского с первой обмоткой и интегрирующий операционный усилитель, выход которого является выходом устройства, отличающийся тем, что первая обмотка пояса Роговского подсоединена между земляной шиной и неинвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого через первый резистор соединен с его же выходом, вторая обмотка пояса Роговского подключена к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого через второй резистор соединен с его же выходом, между инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей включен третий резистор, выход первого операционного усилителя через четвертый резистор подсоединен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, между инвертирующим входом и выходом которого включен пятый резистор, выход второго операционного усилителя через шестой и седьмой резисторы соединен с земляной шиной, причем общая точка шестого и седьмого резисторов подключена к неинвертирующему входу третьего операционного усилителя, выход которого соединен с входом интегрирующего операционного усилителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1