Способ измерения силы тока в проводнике и устройство для его осуществления
Владельцы патента RU 2453853:
Федеральное Государственное Унитарное Предприятие "Государственный научно-производственный ракетно-космический центр "ЦСКБ-Прогресс" (ФГУП "ГНПРКЦ "ЦСКБ-Прогресс") (RU)
Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах дистанционного контроля и диагностики технических объектов, в измерительных комплексах при контроле параметров технологического оборудования. Способ и устройство предполагают применение двух датчиков Холла, помещенных в зазоры одного или двух магнитопроводов. Одноименные плоскости датчиков Холла одинаково ориентируют относительно внешних помехообразующих полей, а по отношению к измеряемому магнитному полю датчики Холла устанавливают таким образом, чтобы в плоскость одного датчика измеряемый магнитный поток входил, а из одноименной плоскости другого - выходил. Выходные напряжения датчиков Холла подаются на инвертирующий и неинвертирующий входы дифференциального усилителя. При этом к выводу «земля» усилителя подключены одноименные выходные выводы датчиков Холла. Результат измерения определяют как разность выходных напряжений, при этом напряжения, наведенные внешними помехообразующими магнитными и электрическими полями, компенсируются. Техническим результатом изобретения является уменьшение погрешности измерений токов в проводнике. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.
Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах дистанционного контроля и диагностики технических объектов, в измерительных комплексах при контроле параметров технологического оборудования.
Известно устройство для измерения силы тока в проводнике [1]. Оно включает в себя составной магнитопровод, в одном из зазоров которого установлен датчик Холла.
Недостатком известного устройства является то, что датчик Холла подвержен влиянию магнитных и электрических полей от расположенных рядом проводников с током или от различных других источников.
От этого недостатка в значительной мере свободно устройство [2], которое выбрано в качестве прототипа. Основой такого измерительного устройства является также составной магнитопровод, в зазорах которого установлены два или более датчика Холла. Одноименные рабочие плоскости датчиков Холла одинаково ориентированы относительно измеряемого магнитного потока. Их входные (токовые) выводы подключают к стабилизированному источнику питания, а выходные (холловские) выводы подключают к сумматору, с помощью которого производится суммирование выходных напряжений датчиков Холла. Такое включение датчиков Холла позволяет повысить помехозащищенность измерений от внешних магнитных и электрических полей, наводимых проводниками с током или другими источниками.
Однако суммирование выходных напряжений датчиков Холла приводит также к суммированию выходных напряжений их за счет температурного дрейфа или за счет токов смещения, проявляющихся особенно сильно после перегрузки датчиков. Кроме того, в реальных условиях датчики Холла подключают к устройству последующей обработки или преобразования сигналов (в рассматриваемом случае, к сумматору) с помощью соединительных проводов или линии связи. Суммирование выходных напряжений датчиков в таких случаях приводит к суммированию синфазных напряжений, возникающих в соединительных проводах или в линии связи при воздействии на них магнитных или электрических полей, что обусловливает появление дополнительной погрешности измерений. Это особенно сильно проявляется при дистанционных измерениях токов, когда длина соединительных проводов или линии связи достигает значительной величины.
Целью предлагаемого изобретения является уменьшение погрешности измерений токов в проводнике с помощью датчиков Холла в условиях воздействия внешних помехообразующих магнитных и электрических полей.
Цель достигается тем, что одноименные рабочие плоскости датчиков Холла одинаково ориентируют относительно внешних помехообразующих магнитных и электрических полей, а по отношению к измеряемому магнитному полю датчики Холла устанавливают таким образом, чтобы в рабочую плоскость одного датчика Холла измеряемый магнитный поток входил, а из одноименной рабочей плоскости другого - выходил. Результат измерения определяют как разность выходных напряжений датчиков Холла, при этом датчики Холла могут размещать как в одном общем магнитопроводе, так и в двух отдельных магнитопроводах разъемной или неразъемной конструкции.
В устройство измерения силы тока в проводнике с этой целью дополнительно вводят дифференциальный усилитель, к инвертирующему входу которого подключают выходными (холловскими) выводами один датчик Холла, а к неинвертирующему входу также выходными выводами подключают другой датчик Холла. Причем к шине "земля" дифференциального усилителя подключают одноименные выходные выводы датчиков Холла. Рабочие плоскости этих датчиков ориентируют таким образом, чтобы в рабочую плоскость одного датчика Холла входил измеряемый магнитный поток и выходил магнитный поток помехообразующего поля, а из рабочей плоскости другого датчика Холла оба эти магнитные потоки выходили.
Из патентной и научно-технической литературы не известны вышеуказанные отличительные признаки заявляемого технического решения в предложенной совокупности. Таким образом, способ измерения силы тока в проводнике и устройство для его осуществления удовлетворяют критерию "изобретательский уровень".
Применение датчиков Холла при выполнении широко распространенной в технике измерений операции (измерения силы тока в проводнике) обеспечивает высокую линейность преобразования и гальваническую развязку между контролируемой и измерительной цепью. Позволяет сохранить эти качества в большом диапазоне изменения контролируемой величины, в условиях малых потерь мощности, при практически полном исключении влияния измерительной цепи на измеряемую цепь, полном отсутствии гистерезиса. С этой точки зрения рассматриваемый способ и устройство позволяют расширить область применения датчиков Холла при измерении электрических токов и получить все преимущества, связанные с применением их в условиях действия внешних магнитных и электромагнитных полей, а также при дистанционных измерениях токов. Таким образом, заявляемое техническое решение удовлетворяет критерию "промышленная применяемость".
Осуществить заявляемый способ измерения силы тока в проводнике при размещении датчиков Холла в одном общем магнитопроводе можно используя схему Фиг.1, где применяются следующие обозначения:
1 - магнитопровод разъемной или неразъемной конструкции;
2, 4 - датчики Холла;
3 - проводник с измеряемым током;
5 - помехообразующий проводник.
В соответствии с Фиг.1 датчики Холла 2, 4 устанавливают в зазорах магнитопровода 1. Для того чтобы они были одинаково ориентированы относительно внешнего помехообразующего поля, датчики располагают в магнитопроводе диаметрально противоположно друг другу. Их рабочие плоскости (на Фиг.1 они заштрихованы) устанавливают в пространстве в одном направлении. При этом оказывается, что магнитный поток, образованный измеряемым током, в плоскость одного датчика Холла входит, а из одноименной плоскости другого - выходит. То есть, по отношению к измеряемому магнитному потоку датчики Холла оказываются включенными встречно.
Однако такой принцип реализации заявляемого способа требует изготовления специального магнитопровода с двумя зазорами, что на практике не всегда оправдано. В настоящее время промышленно широко производятся так называемые датчики тока, содержащие в своем составе магнитопровод с одним зазором, в котором установлен датчик Холла. Рассмотрим возможную схему реализации заявляемого способа на элементах данного типа. Такая схема изображена на Фиг.2, где используются следующие обозначения:
1, 11 - магнитопровода с одним зазором;
2, 4 - датчики Холла;
5 - помехообразующий проводник;
3 - проводник с измеряемым током.
Согласно Фиг.2 датчики Холла 2, 4 одинаково ориентированы в пространстве относительно магнитного потока Фm внешнего помехообразующего поля. Проводник 3 с измеряемым током (стрелкой условно показано направление тока в проводнике) изогнут подковообразно. За счет этого измеряемый ток проходит через магнитопровод 1 в одном направлении, а через магнитопровод 11 - в противоположном, так что формируемые в магнитопроводах потоки ФС, оказываются направленными в противоположные стороны: в магнитопроводе 11 магнитный поток входит в рабочую плоскость датчика Холла 4, а в магнитопроводе 1 - выходит из рабочей плоскости датчика Холла 2. Таким образом реализуется условие одинаковой ориентации датчиков Холла относительно внешнего помехообразующего поля при встречном включении одноименных рабочих плоскостей этих же датчиков относительно магнитного потока, формируемого измеряемым током.
Согласно заявляемому техническому решению выходные сигналы датчиков Холла в процессе обработки подают на входы дифференциального усилителя, который формирует на выходе сигнал, пропорциональный разности входных напряжений.
Вычитание выходных напряжений датчиков Холла при обработке сигнала вместо суммирования их приводит к тому, что одновременно начинают вычитаться и изменения выходных напряжений датчиков за счет температурного дрейфа или за счет токов смещения. Выходное напряжение дифференциального усилителя в этом случае реагирует только на разность напряжений температурного дрейфа или на разность токов смещения датчиков Холла. При идентичных температурных и перегрузочных характеристиках применяемых датчиков вычитание приводит к многократному уменьшению возможных изменений напряжения на выходе дифференциального усилителя за счет температурного дрейфа или токов смещения этих датчиков. В тоже время, при такой схеме включения датчиков Холла (Фиг.2) полезного сигнала на выходе дифференциального усилителя в итоге оказывается пропорциональным сумме полезных сигналов, действующих во входных цепях датчиков Холла.
Кроме того, применение дифференциального усилителя для получения результирующего значения измеряемой величины позволяет использовать при обработке сигнала такой метод подавления шумов, наводимых электрическими и магнитными полями в проводниках или в линиях связи, как симметрирование электрических цепей [3].
При симметрировании оба проводника линии связи и другие подключаемые к ним цепи должны иметь равный импеданс относительно "земли", а также относительно любого другого проводника. Это позволяет сделать в значительной мере равными шумы, наводимые в обоих проводниках линии связи. В этом случае шумы представляют собой продольную или синфазную помеху, которая компенсируется при выполнении операции вычитания в дифференциальном усилителе [3]. Таким образом, в рассматриваемом случае в отличие от прототипа подавляются не только помехи, наводимые внешними полями в датчиках Холла, но и помехи, обусловленные температурным дрейфом и токами смещения датчиков, а также помехи, наводимые в проводах линии связи. Это особенно важно при дистанционных измерениях токов, когда длина линии связи может достигать значительных размеров.
Сравнительный анализ заявляемого технического решения с прототипом позволяет сделать вывод о соответствии его критерию "новизна".
Реализовать заявляемый способ можно с помощью устройства, электрическая схема которого изображена на Фиг.3. В схеме используются следующие обозначения:
2, 4 - датчики Холла;
6 - блок питания;
7 - линия связи (или соединительные провода);
8 - дифференциальный усилитель;
А - операционный усилитель.
Работа устройства сводится к следующему. С блока питания 6 на датчики Холла 2, 4 подают стабилизированное напряжение одинаковой величины. На рабочие плоскости (на Фиг.3 они условно выделены утолщенными линиями) 1 датчиков Холла воздействуют согласно схеме установки (Фиг.1 или Фиг.2) в противоположных направлениях магнитные потоки Фс, 
, вызванные измеряемым током. На эти же плоскости, но в одном направлении воздействуют магнитные потоки Фм, 
внешнего помехообразующего поля. Поэтому на выходных (холловских) шинах датчика Холла 2 формируется напряжение U2, пропорциональное разности потоков Фм, Фс:
где к - коэффициент преобразования датчика Холла 2.
А на выходных шинах датчика 4 формируется напряжение U3, пропорциональное сумме потоков 
, 
:
к1 - коэффициент преобразования датчика Холла 4.
Напряжения U2, U3 поступают через линию связи 7 на входы дифференциального усилителя 8. В линии связи 7 на выходные напряжения U2, U3 накладывается помеха в виде напряжений ξ, ξ1, наводимых в проводниках 1 линии внешним помехообразующим полем. Так что на входы дифференциального усилителя 8 поступают суммы напряжений: U2+ξ - на инвертирующий вход, U3+ξ1 - на неинвертирующий вход.
Выходное напряжение Uвых дифференциального усилителя 8 определяется разностью входных напряжений:
Последнее соотношение записано в предположении, что коэффициент усиления дифференциального усилителя по обоим входам одинаков и равен ку.
Если условия симметрии по входным цепям дифференциального усилителя и параметрам линии связи выполняются, то можно полагать, что в идеальном случае помехи, формируемые в проводах линии связи, синфазны и равны по величине:
Тогда согласно (3) помеха, наводимая в проводах линии связи 7, компенсируется. С учетом (1), (2) соотношение (3) принимает вид:
Если значения коэффициентов преобразования датчиков Холла 2, 4 по величине достаточно близки друг к другу:
к≈к1,
то выходное напряжение дифференциального усилителя 8 зависит только от разности величин магнитных потоков, формируемых в магнитопроводах:
В тех случаях, когда датчики Холла 2, 4 достаточно точно ориентированы в пространстве относительно помехообразующего поля, формируемые этим полем потоки в магнитопроводах равны между собой. Тогда согласно (6) они взаимно компенсируются, и шумовая составляющая в выходном напряжении дифференциального усилителя 8 равна нулю. Напряжение на выходе дифференциального усилителя 8 не содержит шумовой составляющей и определяется произведением:
Если же полного равенства магнитных потоков, формируемых помехообразующим полем, достичь не удается, то согласно (6) происходит частичная компенсация этих потоков, что приводит и в этом случае к снижению уровня помех, к уменьшению погрешности измерения токов в проводнике в условиях воздействия внешних помехообразующих магнитных и электрических полей.
Аналогичным образом компенсируются помехи, обусловленные температурным дрейфом и токами смещения датчиков Холла 2, 4.
В прототипе производится суммирование выходных напряжений датчиков Холла, что приводит к суммированию напряжений их температурного дрейфа, токов смещения, а также помех, наводимых в соединительных проводах или в линии связи. Все это обусловливает увеличение погрешности измерения токов в проводнике в условиях воздействия внешних помехообразующих магнитных и электромагнитных полей.
Источники информации
1. Патент РФ 2157033, кл.7 H01R 39/58, G01R 31/34, 1999 г.
2. Патент РФ 2195677 С1, кл. G01R 19/00, 2001 г. (Прототип).
3. Отт Г. Методы подавления шумов и помех в электронных схемах. - М.: Мир, 1979, с.106-112.
1. Способ измерения силы тока в проводнике, при котором используют два датчика Холла, помещенные в зазоры магнитопроводов, определенным образом ориентированных в пространстве и относительно измеряемого магнитного потока, отличающийся тем, что рабочие одноименные плоскости датчиков Холла одинаково ориентируют относительно внешних помехообразующих магнитных полей, а по отношению к измеряемому магнитному полю датчики Холла устанавливают таким образом, чтобы в рабочую плоскость одного датчика Холла измеряемый магнитный поток входил, а из одноименной рабочей плоскости другого выходил, результат измерения определяют как разность выходных датчиков Холла, при этом датчики Холла могут размещать в одном общем магнитопроводе, так и в двух отдельных магнитопроводах разъемной или неразъемной конструкции.
2. Устройство измерения силы тока в проводнике, содержащее два датчика Холла, каждый из которых размещен в зазоре магнитопровода, отличающееся тем, что в него дополнительно вводят дифференциальный усилитель, к инвертирующему входу которого подключают выходными (холловскими) выводами один датчик Холла, а к неинвертирующему входу также выходными выводами подключают другой датчик Холла, причем к шине "земля" дифференциального усилителя подключают одноименные выходные выводы датчиков Холла, одноименные рабочие плоскости этих датчиков ориентируют таким образом, чтобы в рабочую плоскость одного датчика Холла входил измеряемый магнитный поток и выходил магнитный поток помехообразующего поля, а из одноименной рабочей плоскости другого датчика Холла оба эти магнитные потоки выходили.
