RU2079848C1

RU2079848C1 - Transducer of heavy direct currents

Info

Publication number: RU2079848C1
Application number: RU92003459A
Authority: RU
Inventors: В.В. Белов; А.В. Клевцов; Г.Г. Марквардт; В.А. Теребков
Original assignee: Марквардт Георгий Густавович
Priority date: 1992-11-02
Filing date: 1992-11-02
Publication date: 1997-05-20

Abstract

FIELD: electrical measurement technology; measurement, control, processing and transmission of information about heavy direct currents. SUBSTANCE: transducer has a current-carrying busbar enclosed by a magnetic circuit having a rectangular hysteresis loop on which a compensation winding, a pulse generator connected in series with an electronic switch, a binary counter and a generator of stepwise increasing current, as well as rectangular pulse driver, register, decoder and an indicator are placed. EFFECT: improved design. 7 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к измерительным информационным устройствам, решающим задачи измерения, контроля, обработки, отображения и передачи информации, может быть использовано для визуального наблюдения и, преимущественно, в автоматизированных управлениях технологическими процессами, предполагающими контроль больших постоянных токов. The present invention relates to electrical engineering, in particular to measuring information devices that solve the problems of measuring, controlling, processing, displaying and transmitting information, can be used for visual observation and, mainly, in automated process controls involving large constant currents.

В электроизмерительной технике известны преобразователи напряжений и токов, содержащие нелинейный блок, генератор импульсов, ключ, счетчик импульсов и индикатор [1] Принцип действия их основан на дискретизации и квантовании измеряемой величины, автокомпенсации последней с помощью калиброванного напряжения, при котором выходной сигнал в цифровой форме в виде кода получается на выходе аналого-цифрового преобразователя. Однако известные преобразователи не могут быть использованы для измерения больших постоянных токов без дополнительных датчиков, что в значительной степени усложняет их и снижает точность измерения. In electrical engineering, voltage and current converters are known, containing a non-linear unit, a pulse generator, a key, a pulse counter and an indicator [1]. Their principle of operation is based on the sampling and quantization of the measured value, the latter’s self-compensation using a calibrated voltage, at which the output signal is in digital form in the form of a code is obtained at the output of an analog-to-digital converter. However, the known transducers cannot be used to measure large constant currents without additional sensors, which greatly complicates them and reduces the accuracy of the measurement.

Известно также устройство измерения постоянного тока [2] содержащее магнитный преобразователь на ферромагнитных сердечниках с входными обмотками, обмотками возбуждения, компенсации и выходные, генератор затухающих колебаний, элемент обратной связи, интегратор, преобразователь тока, запоминающий элемент, синхронизатор, цифроаналоговый преобразователь, два счетчика импульсов и элемент совпадения. Работа устройства основана на компенсации намагничивающей силы, создаваемой входным (измеряемым) током намагничивающей силой обмотки компенсации, в которой возникает ток в результате изменения среднего значения индукции в сердечниках при совместном воздействии на них входного тока и затухающих колебаний тока в обмотках возбуждения. Ток компенсации преобразуется в цифровой код путем сравнения его со ступенчато возрастающим током на выходе цифроаналогового преобразователя, получающего информацию от одного из счетчиков импульсов. It is also known a direct current measuring device [2] containing a magnetic converter on ferromagnetic cores with input windings, field windings, compensations and outputs, a damped oscillator, feedback element, an integrator, a current converter, a storage element, a synchronizer, a digital-to-analog converter, two pulse counters and a match element. The operation of the device is based on the compensation of the magnetizing force created by the input (measured) current by the magnetizing force of the compensation winding, in which current arises as a result of a change in the average induction value in the cores when the input current and damped current oscillations in the excitation windings are combined. The compensation current is converted into a digital code by comparing it with a stepwise increasing current at the output of the digital-to-analog converter, which receives information from one of the pulse counters.

Описанное устройство по а.с. СССР N 1396077, G 01 R 19/20 выбрано в качестве прототипа, как совпадающее с заявленным по функции и наибольшей совокупности признаков. Причем запоминающий элемент в известном устройстве является аналогом регистра памяти в заявленном. The described device by A.S. USSR N 1396077, G 01 R 19/20 selected as a prototype, as coinciding with the declared function and the largest combination of features. Moreover, the storage element in the known device is an analogue of the memory register in the claimed.

Однако известное устройство содержит большое число сравнительно сложных элементов и два магнитных сердечника с тремя парами обмоток (не считая входных), две пары из которых (подключенных к генератору затухающих колебаний и компенсационные) должны иметь намагничивающие силы того же порядка, что и входные обмотки. Такое выполнение устройства делает его очень сложным, громоздким и, вследствие этого, практически неприемлемым для измерения больших постоянных токов. However, the known device contains a large number of relatively complex elements and two magnetic cores with three pairs of windings (excluding input), two pairs of which (connected to a damped oscillation generator and compensation) must have magnetizing forces of the same order as the input windings. This embodiment of the device makes it very complex, cumbersome and, therefore, practically unacceptable for measuring large constant currents.

Целью изобретения является повышение точности измерений больших постоянных токов, упрощение преобразователя и гальваническое отделение его от силовой цепи. Указанная цель достигается тем, что измерительный преобразователь больших постоянных токов, содержащий охватывающий токоведущую шину (кабель) магнитопровод с прямоугольной петлей гистерезиса, на котором размещена компенсационная обмотка, генератор импульсов, соединенный через электронный ключ с двоичным счетчиком, формирователь прямоугольных импульсов, снабжен также как и прототип формирователем ступенчато возрастающего тока, вход которого соединен с выходом счетчика, а выход с компенсационной обмоткой, причем это обмотка через фильтр связана с формирователем прямоугольных импульсов управления. The aim of the invention is to increase the accuracy of measurements of large constant currents, simplifying the Converter and its galvanic separation from the power circuit. This goal is achieved by the fact that the measuring transformer of large direct currents, comprising a magnetic circuit with a rectangular hysteresis loop covering a current-carrying bus (cable), on which a compensation winding is placed, a pulse generator connected via an electronic key to a binary counter, a rectangular pulse shaper is equipped as well prototype shaper stepwise increasing current, the input of which is connected to the output of the counter, and the output with a compensation winding, and this is a winding through ph tr associated with the control generator of rectangular pulses.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый измерительный преобразователь отличается тем, что в нем непосредственно, с помощью ступенчато-возрастающих импульсов тока, компенсируется намагничивающая слив измеряемого тока с использованием ферромагнитного сердечника с прямоугольной петлей гистерезиса в качестве компаратора. Comparative analysis with the prototype shows that the inventive measuring transducer is different in that it directly compensates for the magnetizing discharge of the measured current using stepwise increasing current pulses using a ferromagnetic core with a rectangular hysteresis loop as a comparator.

Таким образом, заявляемый измерительный преобразователь соответствует критерию изобретения "новизна". Thus, the inventive measuring transducer meets the criteria of the invention of "novelty."

Измерительный преобразователь больших постоянных токов (фиг. 1) содержит магнитопровод 2, охватывающий токопровод (кабель, шину) 1, на котором размещена компенсационная обмотка 3, генератор прямоугольных импульсов 4, последовательно соединенный с электронным ключом 5, двоичный счетчик 6, формирователь ступенчато-возрастающего тока 7, формирователь прямоугольных импульсов 8, регистр 9, дешифратор 10 и индикатор 11 (блоки 10 и 11 используются для визуального определения тока). The measuring transducer of large direct currents (Fig. 1) contains a magnetic circuit 2, covering the current lead (cable, bus) 1, on which a compensation winding 3 is placed, a rectangular pulse generator 4, connected in series with an electronic key 5, a binary counter 6, a step-increasing shaper current 7, rectangular pulse shaper 8, register 9, decoder 10 and indicator 11 (blocks 10 and 11 are used to visually determine the current).

Компенсационная обмотка 3 через формирователь импульсов 8 связана с электронным ключом 5, двоичным счетчиком 6, формирователем ступенчато-возрастающего тока 7 и регистром 9. Формирователь 7 по входу подключен к выходу 1 счетчика 6, а по выходу к компенсационной обмотке 3. The compensation winding 3 through a pulse shaper 8 is connected to an electronic key 5, a binary counter 6, a step-increasing current shaper 7 and a register 9. The shaper 7 is connected to the output 1 of the counter 6 at the input, and to the compensation winding 3 at the output.

Измерительный преобразователь работает следующим образом. The measuring transducer operates as follows.

При протекании измеряемого тока I_ш по токопроводу 1, который охватывается магнитопроводом 2, в последнем возникает магнитный поток, характеризуемый индукцией В (фиг. 2). Намагничивающая сила равна току в токопроводе I_ш. В момент открытия электронного ключа 5 (фиг. 1) на один из входов счетчика 6 начнут поступать импульсы. На выходе 1 счетчика 6 появится числовой код, поступающий на вход формирователя ступенчато-возрастающих импульсов 7. Выход формирователя 7 нагружен на компенсационную обмотку 3, поэтому в ней появится ток i_ко (фиг. 3), возрастающий по времени ступенями с заданным значением ΔI_ко и равный nΔI_ко где n число импульсов.When the measured current I _w flows through the current path 1, which is covered by the magnetic circuit 2, the latter generates a magnetic flux, characterized by induction B (Fig. 2). The magnetizing force is equal to the current in the current path I _W At the time of opening of the electronic key 5 (Fig. 1), pulses will begin to arrive at one of the inputs of the counter 6. At the output 1 of counter 6, a numerical code appears, which enters the input of the shaper of stepwise increasing pulses 7. The output of the shaper 7 is loaded on the compensation winding 3, so the current i _ko appears in it (Fig. 3), increasing in time by steps with a given value ΔI _ko and equal to nΔI _to where n is the number of pulses.

Намагничивающая сила компенсационной обмотки 3 (фиг. 1) противоположна намагничивающей силе, создаваемой измеряемым током в токопроводе 1. The magnetizing force of the compensation winding 3 (Fig. 1) is opposite to the magnetizing force generated by the measured current in the current lead 1.

До тех пор, пока разность I_ш-nWΔI_ко, где W число витков компенсационной обмотки 3, будет оставаться положительной и меньшей ΔI_ко (фиг. 2), индукция в магнитопроводе 2 (фиг. 1) почти не изменяется, и на компенсационной обмотке 3 импульсы напряжения практически отсутствуют. Но в тот момент, когда значение величины nWΔI_ко станет больше I_ш, на компенсационной обмотке 3 и, следовательно, на входе формирователя 8 появится импульс напряжения, вызванный перепадом индукции на 2В_max. На выходе преобразователя 8 образуется прямоугольный импульс. По переднему фронту его (выход 1) закрывается на период замера электронный ключ 5 (фиг. 1) и инициируется запись содержания счетчика 6 в регистр 9, передача его, например, в систему управления технологическим процессом и (или) в индикатор 11 через дешифратор 10.As long as the difference I _w -nWΔI _ko , where W is the number of turns of the compensation winding 3, remains positive and less than ΔI _ko (Fig. 2), the induction in the magnetic circuit 2 (Fig. 1) remains almost unchanged, and on the compensation winding 3 voltage pulses are practically absent. But at the moment when the value of nWΔI _ko becomes greater than I _w , a voltage pulse will appear on the compensation winding 3 and, therefore, at the input of the shaper 8, caused by the difference in induction by 2V _max . The output of the Converter 8 is formed by a rectangular pulse. On the rising edge of it (output 1), the electronic key 5 is closed for the measurement period (Fig. 1) and the recording of the contents of the counter 6 in register 9 is initiated, its transfer, for example, to the process control system and (or) to indicator 11 through decoder 10 .

Измерительный преобразователь по функциональной схеме фиг. 1 работает в асинхронном режиме. В этом случае обнуление счетчика 6 запуска формирователя 7 производится по заднему фронту прямоугольных импульсов управления формирователя 8 (выход 2) после окончания предыдущего замера. The measuring transducer according to the functional diagram of FIG. 1 runs in asynchronous mode. In this case, the reset counter 6 start shaper 7 is performed on the trailing edge of the rectangular control pulses of the shaper 8 (output 2) after the previous measurement.

Погрешность измерений с помощью предлагаемого измерительного преобразователя зависит от выбора значения ΔI_ко (фиг. 3) и от угла наклона кривой намагничивания на начальном участке ее (фиг. 2) к оси абсцисс. Выбор значений указанных величин диктуется требованием к точности измерений.The measurement error using the proposed measuring transducer depends on the choice of ΔI _ko (Fig. 3) and on the angle of inclination of the magnetization curve in its initial section (Fig. 2) to the abscissa axis. The choice of the values of the indicated values is dictated by the requirement for accuracy of measurements.

Реализация рассматриваемого предложения может быть выполнена по структурной схеме, приведенной на фиг. 4. На этой схеме: 1 токопровод (шина, кабель), 2 магнитопровод, 3 компенсационная обмотка, 4 задающий генератор прямоугольных импульсов, 5 схема совпадения, 6 двоичный счетчик, 7 цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), 8 регистр фиксации, 9 - дешифратор, 10 индикатор, 11 усилительный элемент, 12 фильтр, 13 - формирователь прямоугольных импульсов управления. The implementation of the proposal in question can be performed according to the block diagram shown in FIG. 4. In this diagram: 1 current lead (bus, cable), 2 magnetic core, 3 compensation winding, 4 driving rectangular pulse generator, 5 matching circuit, 6 binary counter, 7 digital-to-analog converter (DAC), 8 latch register, 9 - decoder, 10 indicator, 11 amplifying element, 12 filter, 13 - driver of rectangular control pulses.

Элементы 6, 7 и 11 образуют формирователь ступенчато-возрастающего тока (блок 7 на фиг. 1). Elements 6, 7 and 11 form a step-increasing current driver (block 7 in Fig. 1).

Схема работает следующим образом: в момент, когда намагничивающая сила, создаваемая в обмотке компенсации 3, скомпенсирует намагничивающую силу, создаваемую измеряемым током I_ш, протекающим по шине (кабелю) 1, на входе формирователя импульсов управления 13 возникает импульс напряжения. На выходе этого формирователя образуется прямоугольный импульс. по переднему фронту его (выход 1 формирователя 13) снимается сигнал "преобразование" со входа 1 схемы совпадения 5, в результате чего блокируется подача тактовой серии на вход счетчика 6 и, по низкому уровню, формируется сигнал "запись" на входе регистра 8, с помощью которого фиксируется передаваемая на него от счетчика 6 кодовая комбинация. Эта комбинация передается на вход дишефратора 9, к выходу которого подключен индикатор 10. По заднему фронту импульса (выход 2 формирователя 13) производится обнуление счетчика 6 (по входу 2) и запуск ЦАП 7. После восстановления сигнала на входе 2 схемы совпадения 5 на счетчик 6 начнет поступать новая серия импульсов от генератора 4. На выходе счетчика 6 образуется двоичное число, равное числу поступивших на его вход импульсов от генератора 4. Это число поступает на цифроаналоговый преобразователь 7, на выходе которого образуется ступенчато-возрастающее напряжение, поступающее на вход усилительного элемента 11. Ступенчато-возрастающий ток на выходе этого элемента протекает через компенсационную обмотку 3 до того момента, пока намагничивающая сила ее не скомпенсирует магнитодвижущую силу, создаваемую измеряемым током. Далее процесс измерения повторяется.The circuit works as follows: at the moment when the magnetizing force created in the compensation winding 3 compensates for the magnetizing force created by the measured current I _w flowing through the bus (cable) 1, a voltage pulse appears at the input of the control pulse shaper 13. A rectangular pulse is generated at the output of this shaper. on the leading edge of it (output 1 of the shaper 13), the signal “conversion” is removed from the input 1 of the matching circuit 5, as a result of which the clock series is blocked to the input of the counter 6 and, at a low level, the signal “record” is generated at the input of the register 8, s with the help of which the code combination transmitted to it from the counter 6 is fixed. This combination is transmitted to the input of the discharger 9, the indicator 10 is connected to its output. On the trailing edge of the pulse (output 2 of the shaper 13), counter 6 is reset (at input 2) and the DAC is started 7. After the signal is restored at input 2 of matching circuit 5 to the counter 6, a new series of pulses from the generator 4 will begin to arrive. At the output of the counter 6, a binary number is formed equal to the number of pulses received from the generator 4 received at its input. This number goes to the digital-to-analog converter 7, at the output of which a stepwise age is formed The voltage supplied to the input of the amplifying element 11. A stepwise increasing current at the output of this element flows through the compensation winding 3 until the magnetizing force compensates for the magnetomotive force created by the measured current. Further, the measurement process is repeated.

В конце отрицательного импульса на выходе 1 формирователя 13 и на входе 1 элемента 5 восстановится высокий уровень. At the end of the negative pulse at the output 1 of the shaper 13 and at the input 1 of the element 5, a high level will be restored.

Формирователь импульсов управления 13 состоит из двух внутренних блоков 1 и 2. Блок 1, формирующий прямоугольный импульс при поступлении на его вход импульса от блока 12, может быть выполнен по одной из известных схем, в частности по схеме фиг. 5а, приведенной, например в [3] (с. 125-127, рис. 4.17, 4.18). Для формирователя прямоугольных импульсов заданной длительности может быть использован также таймер на интегральной схеме КР1006 ВИ1 фиг. 5б [4] (с. 117, 118, рис. 2.24м). The control pulse generator 13 consists of two internal blocks 1 and 2. Block 1, which forms a rectangular pulse upon receipt of a pulse from block 12, can be made according to one of the known schemes, in particular according to the circuit of FIG. 5a, given, for example, in [3] (pp. 125-127, Fig. 4.17, 4.18). For a rectangular pulse shaper of a given duration, a timer on the integrated circuit KR1006 VI1 of FIG. 5b [4] (p. 117, 118, fig. 2.24m).

Формирователи импульсов по переднему и заднему фронтам импульса, образующегося на выходе внутреннего блока 1, выполнены на интегральных инверторах на основе схемы, приведенной в [4] (с. 126, 127, рис. 4.19). Применительно к решаемой задаче схема дана на фиг. 6 (блок 2). На фиг. 7 даны временные диаграммы, поясняющие работу формирователя 13. The pulse shapers along the leading and trailing edges of the pulse generated at the output of the indoor unit 1 are made on integrated inverters based on the circuit shown in [4] (p. 126, 127, Fig. 4.19). As applied to the problem being solved, the circuit is given in FIG. 6 (block 2). In FIG. 7 are timing diagrams explaining the operation of the shaper 13.

В момент компенсации магнитодвижущей силы измеряемого тока на выходе блока 12 образуется импульс (верхняя диаграмма на фиг. 7). Этот импульс поступает на внутренний блок 1 (Б1). По переднему фронту его на выходе блока создается прямоугольный импульс, представленный на второй диаграмме фиг. 7. Этот импульс поступает на внутренний блок 2. По переднему фронту его на выходе формирователя импульсов управления 13 возникает отрицательный импульс длительностью t₁-t₃ (третья сверху диаграмма на фиг. 7). По заднему фронту импульса на выходе внутреннего блока 1 (на входе внутреннего блока 2) в момент t₂ возникает импульс на выходе 2 формирователя 13 - нижняя диаграмма на фиг. 7. В результате этого в момент t₁ снимается сигнал со входа 1 блока 5 и по низкому уровню сигнала на входе "Запись" блока 8 через дешифратор 9 на индикаторе 10 фиксируется значение измеряемого тока.At the moment of compensation of the magnetomotive force of the measured current, a pulse is generated at the output of block 12 (upper diagram in Fig. 7). This pulse is supplied to indoor unit 1 (B1). At the leading edge of it, a rectangular pulse is created at the output of the block, shown in the second diagram of FIG. 7. This pulse is supplied to the indoor unit 2. On the rising edge of it at the output of the control pulse shaper 13, a negative pulse of duration t ₁ -t ₃ occurs (the third diagram from the top in Fig. 7). On the trailing edge of the pulse at the output of the indoor unit 1 (at the input of the indoor unit 2) at time t ₂ , a pulse arises at the output 2 of the former 13 — the lower diagram in FIG. 7. As a result of this, at time t _{1, the} signal is removed from the input 1 of block 5 and the value of the measured current is recorded on the indicator 10 through the decoder 9 on the low level of the signal at the “Record” input of block 8.

Входы 1 блока 5 и 7 присоединены к выходу 1 блока 13. В момент t₂ с выхода 2 блока 13 выдается сигнал на вход "Запуск ЦАП" и "обнуление" счетчика 6. В момент t₃ восстанавливается высокий уровень на входе 1 блока 5 (выход 1 блока 13) и начинается следующий цикл измерения.Inputs 1 of block 5 and 7 are connected to output 1 of block 13. At time t ₂ , output 2 of block 13 gives a signal to the input “DAC start” and “zeroing” of counter 6. At time t ₃ , a high level at input 1 of block 5 is restored output 1 of block 13) and the next measurement cycle begins.

Источники информации
1. Э. Г. Атамалян. Приборы и методы измерения электрических величин. М. Высшая школа, 1982, с. 131-134, 147.Sources of information
1. E. G. Atamalyan. Instruments and methods for measuring electrical quantities. M. Higher School, 1982, p. 131-134, 147.

2. А.с. СССР N 1398077, G 01 R 19/20, 1988 (прототип). 2. A.S. USSR N 1398077, G 01 R 19/20, 1988 (prototype).

3. Автоматизация систем электроснабжения. Учебник для вузов под редакцией д.т.н. проф. Н.Д.Сухопрудского, М. Транспорт, 1990, 339 с. УДК. 621.331: 621.311-53 (075.8). 3. Automation of power supply systems. Textbook for universities edited by Doctor of Technical Sciences prof. N.D. Sukhoprudsky, M. Transport, 1990, 339 p. UDC. 621.331: 621.311-53 (075.8).

Б. И.Горошков. Элементы радиоэлектронных устройств. Справочник. М. Радио и связь, 1989, 176 с. ББК 32. 844 Г67 УДК 621.3.049.77:621.396.69 (031). B. I. Goroshkov. Elements of electronic devices. Directory. M. Radio and Communications, 1989, 176 pp. LBC 32.844 G67 UDC 621.3.049.77:621.396.69 (031).

Claims

A high constant current measuring transducer containing a ferromagnetic core, covering the current-carrying bus and having a compensation winding, also containing a rectangular pulse generator, a pulse counter, the information outputs of which are connected to the corresponding inputs of the digital-to-analog converter, a matching element, the first input of which is connected to the control input of the memory register and the first output of the rectangular pulse shaper, the second output of which is connected to the control input of the counter pulses, characterized in that a decoder, indicator, filter, amplifier are inserted into it, the input of which is connected to the output of the digital-analog converter, and the output is to the compensation winding and the input of the filter, the output of which is connected to the input of the rectangular pulse generator, the second output of which is connected to the control to the input of the digital-to-analog converter, the information inputs of the memory register are connected to the information outputs of the pulse counter, and the information outputs of the memory register are connected to the sponds to the inputs of the indicator, the second input matching element connected to an output of the generator of rectangular pulses and the output pulses to the counting input of the counter, wherein the ferromagnetic core is made of a material with a rectangular hysteresis loop.