Патент на изобретение №2176088
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
(57) Реферат: Техническое решение может быть использовано для прецизионного измерения токов, напряжений, мощности и электроэнергии в электросетях, в автоматизированных системах контроля и учета электроэнергии, а также в приборах и аппаратуре энергосбережения. Технический результат применения предлагаемого решения заключается в повышении точности и скорости измерений, а также в расширении функциональных возможностей измерительного преобразователя в широком диапазоне частот измеряемого тока или напряжения. Измерительный преобразователь тока и напряжения представляет собой систему автоматического регулирования выходного сигнала, обеспечивающую минимизацию воздействия дестабилизирующих факторов и автокалибровку нуля в заданные интервалы времени. 2 ил. Предлагаемое техническое решение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для прецизионного измерения амплитуды постоянного и переменного тока, а также во всех видах счетчиков электроэнергии и в автоматизированных системах контроля, управления и распределения электроэнергии. Увеличение скорости прецизионного измерения постоянного и переменного тока и напряжения с большим динамическим диапазоном измерения амплитуд является в настоящее время одной из актуальных задач метрологии. Для этой цели в настоящее время широко используются различные датчики-преобразователи амплитуды постоянного и переменного тока или напряжения в частоту следования нормированных по амплитуде импульсов, выполненные на основе различного вида мультивибраторных магнитных датчиков и магнитных модуляторов. Например, в работе [1] рассматриваются принципы построения магнитных мультивибраторных датчиков относительно малых постоянных токов с одновитковыми входными обмотками. Приводятся результаты исследования датчиков с различными переключающими элементами. Также широко известны датчики тока на основе магнитных модуляторов [2-6] , в которых на одну из вторичных обмоток подается опорное напряжение высокочастотного возбуждения и, по изменению его параметров в измерительной обмотке, судят о величине тока, протекающего через первичную обмотку. Недостаток вышеперечисленных датчиков заключается в наличии незначительной паразитной модуляции по длительности, если входное воздействие преобразуется в частотно-импульсное модулированное (ЧИМ) напряжение, и по частоте, если входное воздействие преобразуется в широтно-импульсное модулированное (ШИМ) напряжение, которая приводит к ошибке измерения, что препятствует широкому внедрению таких устройств. Наиболее близким к предлагаемому измерительному преобразователю является устройство для бесконтактного измерения тока [7], содержащее магнитный модулятор на ферромагнитном сердечнике, входная обмотка которого соединена с источником измеряемого тока, обмотка возбуждения соединена с выходом генератора, сигнальная обмотка соединена с входом реверсивного триггера, выход которого через интегратор соединен с входом усилителя, выход которого через образцовый резистор соединен с компенсационной обмоткой модулятора. Модификация такого устройства приведена в [8]. Наибольшей точностью и простотой реализации обладают устройства измерения тока, в которых используется ЧИМ преобразование, однако ШИМ преобразование наиболее удобно для цифровой обработки сигналов, так как современные контроллеры и процессоры сигналов могут работать с ШИМ сигналами напрямую, без дорогостоящего промежуточного аналого- цифрового преобразования. Следовательно, введение в такие устройства операции преобразования ЧИМ в ШИМ является необходимым и оптимальным решением. Технический результат предлагаемого решения заключается в повышении точности и скорости измерений токов и напряжений и в расширении функциональных возможностей измерительного преобразователя. Указанный результат достигается тем, что в измерительный преобразователь, содержащий датчик-преобразователь тока или напряжения в частотно-модулированные импульсы напряжения, выполненный на ферромагнитном трансформаторе, в котором токовая обмотка соединена с токоограничивающим резистором, обмотка обратной связи, обмотка подмагничивания соединена с источником тока подмагничивания, а обмотка возбуждения соединена с времязадающими входами генератора, выход которого является выходом датчика-преобразователя тока и напряжения, дополнительно введен широтно-импульсный преобразователь, в который входит счетчик- делитель на “n”, счетный вход которого соединен с выходом упомянутого генератора, а вход разрешения счета соединен с инверсным выходом асинхронного триггера, вход обнуления и установочный входы которого соединены соответственно с выходом счетчика-делителя на “n” и с выходом управляемого напряжением генератора, управляющий вход которого соединен с выходом устройства “выборка-запоминание”, сигнальный вход которого соединен с выходом демодулятора, дифференциальные входы которого соединены с парафазными выходами асинхронного триггера, выходы которого и выход демодулятора являются выходами измерительного преобразователя, при этом выход демодулятора соединен с сигнальным входом выполненного регулируемым усилителя, управляющий вход которого соединен с аналоговым выходом калибратора, импульсный выход которого соединен с управляющим входом устройства “выборка- запоминание”, кроме того калибратор имеет вход для переключения внешнего источника команд или синхронизации. Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что, для достижения наилучших метрологических характеристик и расширения функциональных возможностей, известный датчик- преобразователь тока или напряжения в частотно-модулированные импульсы напряжения дополнен широтно-импульсным преобразователем (ШИП), демодулированное напряжение которого используется для автоматической калибровки нуля и для отрицательной обратной связи (ООС), необходимых для обеспечения высокой точности и расширения динамического диапазона измеряемого тока или напряжения. Сравнение предлагаемого решения с известными показывает, что оно обладает новой совокупностью существенных признаков, которые, дополняя известные признаки, позволяют успешно реализовать поставленную цель. На фиг. 1 приведена структурная схема измерительного преобразователя, а на фиг. 2 – эпюры напряжений в основных его точках. Измерительный преобразователь содержит входные зажимы 1, 2, 3 и 24, ферромагнитный сердечник 4, токовую обмотку 5, компенсационную обмотку 6, обмотку 7 подмагничивания, обмотку возбуждения 8, резистор 9, генератор 10, источник 11 тока подмагничивания, широтно-импульсный преобразователь 12, содержащий счетчик-делитель на “n” 13, асинхронный триггер 14, демодулятор 15, устройство 16 “выборка-запоминание”, управляемый напряжением генератор 17, калибратор 18, а также регулируемый усилитель 19 и выходные зажимы 20, 21, 22 и 23. Предлагаемый измерительный преобразователь (ИП) работает следующим образом: Входной ток Iвх, создаваемый в токовой обмотке 5 источником тока через зажимы 1 и 2 или источником напряжения через зажимы 1 и 3 и резистор 9, создает в ферромагнитном сердечнике 4 соответствующее его величине и знаку магнитное поле, которое изменяет магнитную проницаемость сердечника 4 пропорционально степени его намагничивания. Изменение магнитной проницаемости приводит к изменению величины индуктивности катушки возбуждения 8, являющейся времязадающей цепью генератора 10 частотно-модулированных нормированных по амплитуде импульсов напряжения. Если частота следования выходных импульсов генератора 10 изменяется в больших пределах на несколько порядков, то прецизионная демодуляция таких сигналов представляет определенную трудность, избежать которой можно путем преобразования частотной модуляции в широтную модуляцию с постоянной частотой следования нормированных по амплитуде импульсов. Для работы с двуполярными сигналами и определения их знака производится постоянное подмагничивание сердечника 4 от источника тока подмагничивания, выходной ток которого пропускается через обмотку подмагничивания 7. Для расширения динамического диапазона входных сигналов, улучшения линейности амплитудно-частотной характеристики и для уменьшения фазовой ошибки измерений, через обмотку обратной связи 6 пропускается ток ООС регулируемого усилителя (РУ) 19. В предлагаемом включении эту задачу выполняют элементы широтно-импульсного преобразователя 12 и происходит это следующим образом. Выходные импульсы напряжения генератора 10 поступают на счетный вход счетчика-делителя 13 на “n” (далее по тексту просто счетчик), при этом на вход “Установка в 0” счетчика поступают высокие или низкие уровни напряжения с асинхронного триггера 14 (далее по тексту просто триггер), обеспечивающие стартстопный режим счета импульсов. Общая синхронизация всего процесса преобразования частотно-модулированных импульсов в широтно-модулированные осуществляется управляемым напряжением генератором (ГУН) 17. Передний фронт формируемых ГУН 17 импульсов (фиг. 2, а) является командой “Старт”, по которой на прямом выходе триггера 14 устанавливается высокое, а на инверсном низкое состояние, что позволяет счетчику 13 начать отсчет импульсов. Передний фронт “n”-го импульса (фиг. 2, б) счетчика 13 является командой “Стоп”, по которой меняется состояние триггера 14, останавливается счет и обнуляется счетчик 13. Затем снова следует команда “Старт” и процесс повторяется. В результате на выходе триггера 14 (фиг. 2, в) формируются широтно-модулированные импульсы напряжения с периодом T, равным периоду импульсов на выходе ГУН 17, и длительностью импульсов  , равной произведению длительности периода Tг следования импульсов генератора 10 на коэффициент “n” (коэффициент деления счетчика), то есть = Tr n.Для прецизионного измерения тока Iвх необходимо иметь строгое однозначное соответствие между значениями измеряемого тока и входным напряжением Uвых демодулятора 15. Это условие выполняется автоматической установкой оптимального значения периода Tо ГУН 17 при токе Iвх, равном нулю, или, если он не равен нулю, принудительно подавляется его воздействие на генератор 10, на выходе которого на это время устанавливаются свободные колебания. При отсутствии воздействия Iвх на генератор 10, значение оптимального периода Tо выбирается так, чтобы на выходе счетчика 13 и на обоих выходах триггера 14 установилась одинаковая длительность импульсов, численно равная 0, при которой выполняется равенство 20 = T0. Это равенство является основным условием автокалибровки нуля напряжения Uвых.
Для прецизионных измерений условие 20 = T0 должно выполняться очень жестко. Любая нестабильность или уход параметров элементов ШИП 12 может нарушить это условие, поэтому для стабилизации этого равенства введены такие элементы, как демодулятор 15, устройство “выборка-запоминание” 16 и калибратор 18.
Стабилизация равенства 20 = T0 осуществляется путем автоматической подстройки периода следования импульсов ГУН.
Для этого низкочастотная составляющая, несущая информацию об уровне входного воздействия, выделенная демодулятором 15, поступает на сигнальный вход устройства “выборка-запоминание” (УВЗ) 16, на управляющий вход которого с импульсного выхода калибратора 18 последовательно одна за другой поступают команды “Сброс”, “Выборка” и “Хранение”.
Команда “Сброс” блокирует сигнальный вход УВЗ 16 и обнуляет его содержимое, команда “Выборка” разрешает выборку и запоминание напряжения на сигнальном входе и блокирует выход УВЗ 16, а команда “Хранение” снова блокирует сигнальный вход, а запомненное напряжение поступает на управляющий вход ГУН 17.
Для запоминания напряжения демодулятора без составляющей воздействия входного тока Iвх на токовую катушку 5, необходимо через компенсационную обмотку 6 пропустить противофазный компенсирующий ток Iк.
Ток Iк формируется во время действия команды “Выборка” регулируемым усилителем РУ 19 и калибратором 18 и обеспечивает жесткую ООС, компенсирующую влияние тока Iвх.
На это время калибратор 18 устанавливает максимальный коэффициент усиления РУ 19, так как компенсация воздействия тока Iвх тем лучше, чем больше коэффициент усиления петли ООС, в которой основное усиление обеспечивает РУ 19.
Так как управление генератором 10 осуществляется изменением магнитного потока поля сердечника 4, а магнитные поля, созданные токами Iвх и Iк в обмотках 5 и 6 сердечника 4 во время команды “Выборка”, взаимно уничтожаются, следовательно в выходном напряжении будет отсутствовать составляющая, вызванная воздействием тока Iвх на токовую обмотку 5.
Поэтому “запомненное” напряжение УВЗ 16 используется как регулирующее напряжение Uр для перестройки свободных колебаний ГУН 17 в вынужденные колебания с периодом следования Tо, при котором выполняется условие 20 = T0 и обеспечивается автоматическая калибровка нуля.
Во время действия команды “Хранение”, через компенсационную обмотку 6 протекает ток ООС, формируемый РУ 19 из выходного напряжения Uвых демодулятора 15. Этот ток выполняет функцию регулирующего тока Iр для расширения динамического диапазона входного тока Iвх и для достижения высокой линейности амплитудно-частотной и амплитудно-фазовой характеристик ИП в целом.
Ток Iр, протекая через обмотку 6, создает в сердечнике 4 магнитное поле, которое воздействует на обмотку 7 генератора 10, улучшает стабильность его работы, особенно при воздействии дестабилизирующих факторов и при изменении параметров охваченных ООС элементов ИП.
Как автоматическое устройство, ИП представляет собой двухпетлевую систему автоматического регулирования (CAP), в которой одна петля ООС, в которой основным регулируемым элементом является генератор 10, осуществляет стабилизацию преобразования тока Iвх в частотно- и широтно-модулированные импульсы напряжения и в напряжение, пропорциональное току Iвх, а другая петля ООС, в которой основным регулируемым элементом является ГУН 17, осуществляет стабилизацию параметров ШИП 12 и автокалибровку нуля.
В итоге выходное напряжение Uвых демодулятора 15 в зависимости от изменения длительности импульсов принимает следующие значения (фиг. 2, г).
На интервале 0< max напряжение Uвых демодулятора 15 всегда положительно и растет пропорционально увеличению относительно 0, на интервале min<0 напряжение Uвых всегда отрицательно и растет по модулю пропорционально уменьшению значения относительно значения 0, а при значении = 0, что эквивалентно условию 20 = T0, напряжение Uвых будет равно нулю.
Так как величина является функцией Iвх, следовательно, и все выходные напряжения, частотно-модулированные импульсы на зажиме 20, модулированные по длительности импульсы на зажимах 21 и 22 и Uвых на зажиме 23, являются функциями входного тока Iвх.
Таким образом осуществляется прецизионное преобразование входного воздействия в ЧИМ, ШИМ и аналоговое напряжения, что обеспечивает работу ИП без согласующих устройств с любым прибором последующей обработки сигналов, а это значительно расширяет функциональные возможности системы измерения.
Для оптимальной калибровки нуля при измерении токов и напряжений, не имеющих естественных переходов через нуль (например, постоянный ток или напряжение) или калибровки нуля по заданной программе, в ИП предусмотрена синхронизация команд “Сброс”, “Выборка” и “Хранение” от внешнего источника синхронизации 24 по входу синхронизации калибратора 18.
Автокалибровка, большая чувствительность и высокая частота преобразования ИП позволяют использовать его для измерения тока без разрыва цепи токового провода, подключаясь к нему параллельно как к шунту.
Предложенное техническое решение позволяет не только расширить функциональные возможности, но и значительно повысить чувствительность и скорость измерения ИП без ухудшения его точности.
Источники информации1. Кармацкий Н. И., Розенблат М.А. Магнитные мультивибраторные датчики постоянных токов. Приборы и системы управления. М., ИПУ РАН, 1995. 2. Андреев Ю. А., Абрамзон Г.В. Преобразователи тока для измерений без разрыва цепи. Л., “Энергия”, 1979 г. 3. Патент США N 4529931, G 01 R 19/00, 1985 г. 4. АС СССР N 1684703, G 01 R 19/00, 1989 г. 5. Патент США N 5307008, G 01 R 21/33, 1994 г. 6. Патент РФ N 2138824, G 01 R 19/00, 1998 г. 7. Патент Великобритании N 1488262, GIV, 1977 г. 8. АС СССР N 926601, G 01 R 19/20, 1982 г. Формула изобретения
РИСУНКИ
MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины за
Дата прекращения действия патента: 12.01.2009
Дата публикации: 20.05.2011
|
||||||||||||||||||||||||||
