Измерительный преобразователь постоянного тока

 

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к измерениям постоянных токов в электроэнергетике. Технический результат заключается в повышении точности измерения постоянного тока за счет снижения аддитивной погрешности. Для этого усилитель мощности, с помощью которого обеспечивается отрицательная обратная связь, выполнен состоящим из усилителя переменного напряжения, запоминающего устройства и усилителя тока, а питание датчика Холла осуществляется током синусоидальной формы. 2 ил.

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к измерениям постоянных токов в электроэнергетике.

Известны устройства для измерения постоянного тока (см. Писаревский Э.А. Электрические измерения и приборы. М.: Энергия, 1970). Основными недостатками известных устройств являются низкая точность измерения и низкий предел измеряемых токов.

Известен также преобразователь тока (см. а.с. №851272, кл. G 01 R 19/00), который содержит магнитопровод с обмоткой, импульсный генератор, индикатор размагничивания магнитопровода, включающий индикаторную обмотку, устройство выборки-хранения и датчик импульсного тока. Работа устройства основана на размагничивании магнитопровода в моменты равенства магнитодвижущих сил от измеряемого и компенсирующего токов, что сопровождается формированием импульса с помощью индикатора размагничивания. В остальное время магнитопровод находится в состоянии насыщения. Но при этом взаимная индуктивность между токопроводом и индикаторной обмоткой не равна нулю, и в последней наводится некоторое напряжение. Это может привести к неправильной работе устройства, что выражается в увеличении погрешностей измерения тока.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь тока, который может использоваться для измерения постоянного тока, содержащий магнитопровод с узким зазором для размещения в нем датчика Холла, усилитель мощности, обмотку отрицательной обратной связи (см. патент 2154320, Россия), принятый в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является наличие погрешности преобразования постоянного тока (аддитивная погрешность) вследствие влияния напряжения смещения усилителя, поскольку он должен иметь большой коэффициент усиления для необходимости обеспечения глубокой отрицательной связи.

Сущность решения состоит в стремлении получить технический результат, заключающийся в повышении точности измерения постоянного тока за счет снижения аддитивной погрешности.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном измерительном преобразователе постоянного тока, содержащем магнитопровод, охватывающий токопровод с измеряемым током, причем магнитопровод имеет узкий зазор, в котором расположен датчик Холла; усилитель мощности, причем его вход соединен с одним из выходных зажимов датчика Холла, а другой выходной зажим последнего соединен с земляной шиной; обмотку отрицательной обратной связи, включенную между выходом усилителя мощности и нагрузкой, другой вывод которой подсоединен к земляной шине, особенность заключается в том, что усилитель мощности содержит последовательно соединенные усилитель переменного напряжения на основе дифференцирующего операционного усилителя, запоминающее устройство и усилитель тока, а токовые зажимы датчика Холла присоединены к источнику синусоидального тока, причем один из токовых выводов соединен с земляной шиной, а другой вывод подсоединен к последовательно соединенным компаратору напряжения и формирователю импульсов, выход последнего соединен с входом управления запоминающего устройства.

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 решении, 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 способа. 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 фиг.1 представлена схема устройства, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства. Оно содержит магнитопровод 1, охватывающий токопровод 2, с узким зазором, в котором находится датчик Холла 3; источник синусоидального тока 4; обмотку отрицательной обратной связи (ООС) 5; усилитель мощности 6, который включает в себя усилитель переменного напряжения 7, запоминающее устройство 8 и усилитель тока 9; компаратор напряжения 10; формирователь импульсов 11; нагрузку 12.

Устройство работает следующим образом. Магнитопроводом 1 охватывается токопровод 2 с измеряемым током I (фиг.1). В нем создается магнитный поток, пронизывающий датчик Холла 3, на выходных зажимах которого имеется напряжение

где В₁ - магнитная индукция в магнитопроводе 1, k_BU - коэффициент пропорциональности. Поскольку датчик Холла 3 питается током синусоидальной формы от источника 4, то напряжение (1) имеет также синусоидальную форму (фиг.2а). Это напряжение подается на усилитель мощности 6, а конкретно - на усилитель переменного напряжения 7, имеющий большой коэффициент усиления (по переменному напряжению), равный К₇(ω). Усилитель 7 собран на основе дифференцирующего операционного усилителя (ДОУ), имеющего частотную передаточную функцию вида:

где R и С - параметры ДОУ (фиг.1), ω - частота тока источника 4, благодаря чему выходное напряжение усилителя 7 сдвинуто относительно напряжения на выходе источника питания 4 на -90° (фиг.2б).

Коэффициент усиления по постоянному напряжению усилителя переменного напряжения 7 равен нулю, поэтому напряжение смещения этого усилителя практически отсутствует и не оказывает влияния на работу устройства.

Компаратор напряжения 10 преобразует синусоидальное напряжение источника 4 в напряжение прямоугольной формы (фиг.2в), а формирователь импульсов 11 формирует короткий импульс в течение заднего фронта напряжения компаратора 10 (фиг.2г). Согласно вышеизложенному в это время выходное напряжение усилителя 7 достигает максимального значения (фиг.2б)

где U_m3 - амплитудное значение напряжения (1). Запоминающее устройство 8 запоминает напряжение (3) по сигналу с выхода формирователя 11, подаваемому на вход управления устройства 8. Таким образом производится преобразование синусоидального напряжения на выходе усилителя 7 в постоянное напряжение, равное амплитудному значению этого переменного напряжения.

Усилитель тока 9 обеспечивает необходимую силу тока I_вых для питания обмотки ООС 5, причем его коэффициент усиления по постоянному напряжению может быть выбран равным единице, поэтому смещения его нулевого уровня не происходит.

Нетрудно показать, что при k₇(ω)→∞

где W₅ - количество витков обмотки 5, что свидетельствует о преобразовании измеряемого тока в выходной ток, протекающий по этой обмотке. Этот ток протекает по нагрузке 12. Отметим, что выражение (4) записано при условии, что токопровод 2 имеет один виток.

Запоминающее устройство 8 может быть выполнено с использованием известных схем, включающих запоминающий конденсатор и ключ, а формирователь 11 - на основе ждущего мультивибратора (одновибратора).

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 постоянного тока, поскольку благодаря усилению переменного напряжения отсутствует смещение нулевого уровня усилителя 6 (т.е. аддитивная погрешность преобразования).

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “промышленная применимость”.

Формула изобретения

Измерительный преобразователь постоянного тока, содержащий магнитопровод, охватывающий токопровод с измеряемым током, причем магнитопровод имеет узкий зазор, в котором расположен датчик Холла, усилитель мощности, причем его вход соединен с одним из выходных зажимов датчика Холла, а другой выходной зажим последнего соединен с земляной шиной, обмотку отрицательной обратной связи, включенную между выходом усилителя мощности и нагрузкой, другой вывод которой подсоединен к земляной шине, отличающийся тем, что усилитель мощности содержит последовательно соединенные усилитель переменного напряжения на основе дифференцирующего операционного усилителя, запоминающее устройство и усилитель тока, а токовые зажимы датчика Холла присоединены к источнику синусоидального тока, причем один из токовых выводов соединен с земляной шиной, а другой вывод подсоединен к последовательно соединенным компаратору напряжения и формирователю импульсов, выход последнего соединен с входом управления запоминающего устройства.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2