RU2165626C1

RU2165626C1 - Measuring converter of heavy current

Info

Publication number: RU2165626C1
Application number: RU2000100881/09A
Authority: RU
Inventors: М.К. Казаков; Л.И. Хисамова; А.Н. Ширманов
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 2000-01-11
Filing date: 2000-01-11
Publication date: 2001-04-20

Abstract

FIELD: measurement of heavy direct current. SUBSTANCE: measuring converter is equipped with transmitter of variable component of current in the form of current transformer whose output signal is used to compensate for variable component of measured current. EFFECT: increased measurement accuracy thanks to reduced influence of pulsation of measured current. 5 dwg

Description

Изобретение относится к области электрических измерений, в частности к измерению больших постоянных токов пакета шин. The invention relates to the field of electrical measurements, in particular to the measurement of large constant currents of the tire package.

Известны измерительные преобразователи, предназначенные для измерения постоянных токов (см. Писаревский Э.А. Электрические измерения и приборы. - М.: Энергия, 1970). Основными недостатками известных решений являются низкая точность измерения и низкий предел измеряемых токов. Known measuring transducers designed to measure direct currents (see Pisarevsky EA Electrical measurements and devices. - M .: Energy, 1970). The main disadvantages of the known solutions are low accuracy and low limit of the measured currents.

Известно также устройство для измерения постоянных токов (см. Меерович Э. А. , Андриевская Л.И. Измерение больших постоянных токов с использованием датчиков Холла. - Электричество, 1967, N 9, с. 49-55), содержащее магнитопровод, охватывающий шины с измеряемым током, датчики Холла, расположенные в зазорах магнитопровода, усилитель и размагничивающие обмотки. Недостатком этого аналога является снижение точности измерения из-за влияния полей рассеяния вследствие большой протяженности магнитопровода, что приводит к неравномерности намагничивания магнитопровода. A device for measuring constant currents is also known (see Meerovich E. A., Andrievskaya LI. Measurement of large constant currents using Hall sensors. - Electricity, 1967, No. 9, pp. 49-55), containing a magnetic circuit covering the tires with measured current, Hall sensors located in the gaps of the magnetic circuit, amplifier and demagnetizing windings. The disadvantage of this analogue is the decrease in measurement accuracy due to the influence of scattering fields due to the large length of the magnetic circuit, which leads to uneven magnetization of the magnetic circuit.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является выбранный в качестве прототипа измерительный преобразователь (см. патент 1713364, Россия), содержащий немагнитную рамку, охватывающую систему шин с измеряемым током, на которой на равных промежутках размещены n измерительных элементов магнитной индукции, каждый из которых содержит концентратор магнитного поля в виде магнитопровода, в одном зазоре которого, расположенном в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции, создаваемой измеряемым током, размещен датчик Холла, один вывод которого соединен с земляной шиной, а другой - со входом формирователя импульсов, выход которого соединен с первым входом устройства выборки-хранения, генератор пилообразного напряжения, намагничивающую обмотку, один вывод которой через резистор подсоединен к земляной шине, причем точка соединения намагничивающей обмотки и резистора подключена ко второму входу устройства выборки-хранения, выход которого является выходом измерительного элемента магнитной индукции, причем все выходы измерительных элементов магнитной индукции соединены с n входами суммирующего устройства, выход которого является выходом всего преобразователя. The closest in technical essence to the claimed invention is a measuring transducer selected as a prototype (see patent 1713364, Russia), comprising a non-magnetic frame covering a bus system with a measured current, on which n measuring elements of magnetic induction are placed at equal intervals, each of which contains a magnetic field concentrator in the form of a magnetic circuit, in one gap of which is located in a plane perpendicular to the lines of magnetic induction created by the measured current, The Hall sensor is connected, one output of which is connected to the ground bus, and the other to the input of the pulse shaper, the output of which is connected to the first input of the sampling-storage device, a sawtooth generator, a magnetizing winding, one terminal of which is connected through the resistor to the ground bus, and the point the connection of the magnetizing winding and the resistor is connected to the second input of the sample-storage device, the output of which is the output of the measuring element of magnetic induction, and all the outputs of the measuring elements agnitnoy induction n inputs connected to the adder, whose output is the output of the entire converter.

Недостатком прототипа является наличие погрешности в случае наличия пульсаций измеряемого тока, которые возникают после выпрямления приложенного к цепи напряжения. Погрешность имеет место из-за того, что прототип реагирует на различные значения потока от измеряемого тока (точки 1 и 2 на фиг. 1) при соседних импульсах пилообразного компенсирующего тока, протекающего по намагничивающей обмотке. Эту погрешность можно устранить, если устройство будет реагировать на среднее значение потока Φ_0ср.The disadvantage of the prototype is the presence of an error in the case of ripples of the measured current that occur after rectification of the voltage applied to the circuit. The error occurs due to the fact that the prototype reacts to different values of the flux from the measured current (points 1 and 2 in Fig. 1) with adjacent pulses of a sawtooth compensating current flowing through the magnetizing winding. This error can be eliminated if the device responds to the average value of the flow Φ _{0 avg} .

Сущность изобретения состоит в стремлении получить технический результат, заключающийся в повышении точности работы измерительного преобразователя. Указанный технический результат достигается тем, что в известном измерительном преобразователе большого тока особенность заключается в том, что в него введены: сумматор напряжений на основе операционного усилителя и усилитель мощности, которые входят в состав каждого измерительного элемента магнитной индукции (ИЭМИ), а также датчик переменной составляющей тока, который расположен на немагнитной рамке и выполнен в виде трансформатора тока с одной вторичной обмоткой, намотанной на ферромагнитном сердечнике, и преобразователь ток-напряжение на основе операционного усилителя, причем выход сумматора напряжений через усилитель мощности подсоединен к другому выводу намагничивающей обмотки, а датчик переменной составляющей тока включен между земляной шиной и входом преобразователя ток-напряжение, выход которого соединен с другим входом сумматора напряжений, а также с соответствующими входами сумматоров напряжений других (n-1) ИЭМИ. The invention consists in the desire to obtain a technical result, which consists in increasing the accuracy of the measuring transducer. The specified technical result is achieved by the fact that in the well-known high-current measuring transducer, the feature is that it includes: a voltage adder based on an operational amplifier and a power amplifier, which are part of each magnetic induction measuring element (IEMI), as well as a variable sensor current component, which is located on a non-magnetic frame and made in the form of a current transformer with one secondary winding wound on a ferromagnetic core, and a current-voltage converter based on the operational amplifier, and the output of the voltage adder through the power amplifier is connected to the other output of the magnetizing winding, and the sensor of the alternating current component is connected between the ground bus and the input of the current-voltage converter, the output of which is connected to the other input of the voltage adder, as well as to the corresponding inputs voltage adders of other (n-1) IEMI.

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". The analysis of the prior art made it possible to establish that the applicant has not found an analogue characterized by features identical to all the features of the claimed invention, and the determination from the list of analogues of the prototype made it possible to identify a set of distinctive features that are perceived by the applicant as the technical result of the claimed device set forth in the claims. Therefore, the claimed invention meets the condition of "novelty."

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". To verify the compliance of the claimed invention with the condition "inventive step", the applicant conducted an additional search for known solutions in order to identify signs that match the distinctive features of the claimed device from the prototype. The search results showed that the claimed invention does not follow explicitly from the prior art for the specialist, since the influence of the transformations provided for by the essential features of the claimed invention on the achievement of the technical result is not revealed from the prior art determined by the applicant. Therefore, the claimed invention meets the condition of "inventive step".

На фиг. 1 поясняется возникновение погрешности при пульсациях измеряемого тока; на фиг. 2 представлена схема размещения измерительных элементов; на фиг. 3 - функциональная схема измерительного элемента; на фиг. 4 - пример выполнения устройства выборки-хранения; на фиг. 5 - датчик переменной составляющей тока. In FIG. 1, the occurrence of an error with ripples of the measured current is explained; in FIG. 2 shows the layout of the measuring elements; in FIG. 3 is a functional diagram of a measuring element; in FIG. 4 - an example of the implementation of the device fetch-storage; in FIG. 5 - sensor variable current component.

Преобразователь содержит измерительные элементы магнитной индукции 1, размещенные на немагнитной рамке 2 и образующие контур интегрирования, охватывающий пакет шин 3 (фиг. 2). The transducer contains measuring elements of magnetic induction 1, placed on a non-magnetic frame 2 and forming an integration loop covering the tire package 3 (Fig. 2).

Функциональная схема измерительного элемента магнитной индукции (ИЭМИ) (фиг. 3) содержит магнитопровод 4 с датчиком Холла 5 в зазоре, расположенном в плоскости, перпендикулярной линиям магнитной индукции. Генератор пилообразного напряжения 6 подсоединен к одному из входов сумматора напряжений 7 на основе операционного усилителя, который через усилитель мощности 8, намагничивающую обмотку 9 и резистор 10 соединен с земляной шиной. Общая точка намагничивающей обмотки 9 и резистора 10 соединена с первым входом устройства выборки-хранения (УВХ) 11. Датчик Холла 5 соединен со входом формирователя импульсов 12, выход которого соединен со вторым входом УВХ 11. Датчик переменной составляющей тока 13, выполненный в виде трансформатора тока с одной вторичной обмоткой, намотанной на ферромагнитном сердечнике (фиг. 5), через преобразователь ток-напряжение 14 соединен с другим входом сумматора напряжений 7. Выход УВХ 11, являющийся выходом ИЭМИ, подключен ко входу суммирующего устройства 15. На другие входы суммирующего устройства 15 поступают сигналы от других ИЭМИ. Functional diagram of the measuring element of magnetic induction (IEMI) (Fig. 3) contains a magnetic circuit 4 with a Hall sensor 5 in a gap located in a plane perpendicular to the lines of magnetic induction. The sawtooth voltage generator 6 is connected to one of the inputs of the voltage combiner 7 based on an operational amplifier, which is connected to an earth bus through a power amplifier 8, a magnetizing winding 9 and a resistor 10. The common point of the magnetizing winding 9 and the resistor 10 is connected to the first input of the sampling-storage device (UVX) 11. The Hall sensor 5 is connected to the input of the pulse shaper 12, the output of which is connected to the second input of the UVX 11. The sensor of the variable current component 13, made in the form of a transformer current with one secondary winding wound on a ferromagnetic core (Fig. 5), through a current-voltage converter 14 is connected to another input of the voltage adder 7. The output of the UVX 11, which is the output of the IEMI, is connected to the input of the summing devices and 15. The other inputs of the summing device 15 receives signals from other IEMI.

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

Измеряемый ток I пакета шин 3 (фиг. 2) определяется по закону полного тока выражением:

(1)
где B_t - тангенциальная составляющая магнитной индукции в точках k размещения измерительных элементов; n - число измерительных элементов; K - постоянный коэффициент пропорциональности, обусловленный тем, что магнитная индукция измеряется лишь в некоторых точках вокруг шин.The measured current I of the bus package 3 (Fig. 2) is determined by the law of the total current by the expression:

(1)
where B _t is the tangential component of magnetic induction at points k of the placement of the measuring elements; n is the number of measuring elements; K is a constant coefficient of proportionality, due to the fact that magnetic induction is measured only at some points around the tires.

Измерительные элементы (фиг. 3) работают следующим образом. The measuring elements (Fig. 3) work as follows.

Для концентрации магнитного потока в точках измерения служит магнитопровод 4. Напряжение пилообразной формы с выхода генератора 6, подаваемое через сумматор 7 и усилитель 8, приложено к обмотке 9, ток которой создает в магнитопроводе 4 магнитный поток Φ_p (фиг. 1). Этот поток в течение одного полупериода направлен в части магнитопровода с датчиком Холла навстречу потоку Φ₀ (фиг. 1), который пропорционален измеряемому току. При равенстве этих потоков:
Φ_p = Φ₀, (2)
что фиксируется с помощью датчика Холла 5, формирователь импульсов 12 генерирует короткий импульс, подаваемый на вход управления (вход 2) УВХ 11, которое запоминает значение U_R падения напряжения на резисторе 10, подаваемого на вход 1 УВХ 11, которое пропорционально току обмотки 9, который в свою очередь пропорционален потоку Φ_p. Таким образом, при условии (2), напряжение U_R пропорционально потоку Φ₀, а следовательно, измеряемому току.A magnetic circuit 4 is used to concentrate the magnetic flux at the measurement points. The sawtooth voltage from the output of the generator 6, supplied through the adder 7 and amplifier 8, is applied to the winding 9, the current of which creates a magnetic flux Φ _p in the magnetic circuit 4 (Fig. 1). This flux during one half-cycle is directed in the part of the magnetic circuit with the Hall sensor towards the flux Φ ₀ (Fig. 1), which is proportional to the measured current. If these flows are equal:
Φ _p = Φ ₀ , (2)
which is recorded using the Hall sensor 5, the pulse shaper 12 generates a short pulse supplied to the control input (input 2) of the UVX 11, which stores the value U _R of the voltage drop across the resistor 10 supplied to the input 1 of the UVX 11, which is proportional to the current of the winding 9, which in turn is proportional to the flow Φ _p . Thus, under condition (2), the voltage U _{R is} proportional to the flux Φ ₀ and, therefore, to the measured current.

Но при наличии пульсаций тока возникает погрешность измерения из-за того, что при соседних импульсах компенсирующего потока компенсация может происходить при разных значениях потока Φ₀ (фиг. 1), что приводит в колебаниям выходного сигнала измерительного преобразователя. Для устранения этой погрешности на рамке 2 (фиг. 1) размещается датчик переменной составляющей тока 13, подключенный к преобразователю ток-напряжение 14. На его входных зажимах напряжение равно нулю, поэтому датчик 13 работает в режиме короткого замыкания, т. е. в режиме трансформатора тока. На выходе датчика индуктируется переменная составляющая тока, пропорциональная переменной составляющей измеряемого тока. Напряжение с выхода преобразователя 14 через сумматор напряжений 7 и усилитель 8 подводится к обмотке 9. Полярность этого напряжения выбирается такой, чтобы происходила компенсация переменной составляющей магнитного потока от измеряемого тока в магнитопроводе 4, что также достигается соответствующим выбором коэффициентов передачи сумматора 7. С выхода преобразователя 14 напряжение подается также на сумматоры напряжений других ИЭМИ. В итоге измерительный преобразователь тока реагирует на среднее значение потока Φ_0ср (фиг. 1), что повышает точность измерения тока.But in the presence of current ripples, a measurement error arises due to the fact that with adjacent pulses of the compensating stream, compensation can occur at different values of the flux Φ ₀ (Fig. 1), which leads to fluctuations in the output signal of the measuring transducer. To eliminate this error, frame 2 (Fig. 1) contains a variable current component sensor 13 connected to a current-voltage converter 14. At its input terminals, the voltage is zero, therefore, sensor 13 operates in a short circuit mode, i.e., in a mode current transformer. At the output of the sensor, an alternating current component is induced, proportional to the variable component of the measured current. The voltage from the output of the transducer 14 through the voltage adder 7 and the amplifier 8 is supplied to the winding 9. The polarity of this voltage is selected so that the variable component of the magnetic flux is compensated from the measured current in the magnetic circuit 4, which is also achieved by the appropriate choice of transfer coefficients of the adder 7. From the output of the transducer 14 voltage is also supplied to voltage adders of other IEMIs. As a result, the measuring current transducer responds to the average value of the flux Φ _0av (Fig. 1), which increases the accuracy of current measurement.

Устройство выборки-хранения 11 может быть выполнено по схеме, которая приведена на фиг. 4 и работает следующим образом. При приходе кратковременного управляющего импульса с формирователя 12 на второй вход "Вх.2" устройства 11 ключ Кл открывается и напряжение с резистора 10, подаваемое на первый вход "Bx.1" устройства 11, запоминается на конденсаторе C. Это напряжение подается на повторитель 11, выход которого является выходом устройства 11. The sampling-storage device 11 can be performed according to the scheme shown in FIG. 4 and works as follows. When a short-term control pulse arrives from the shaper 12 to the second input “Bx.2” of the device 11, the Cl switch opens and the voltage from the resistor 10 supplied to the first input “Bx.1” of the device 11 is stored on the capacitor C. This voltage is supplied to the repeater 11 the output of which is the output of the device 11.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о том, что средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата. Следовательно заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость". Thus, the above information indicates that the tool embodying the claimed invention in its implementation is capable of achieving the achievement of the technical result perceived by the applicant. Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims

A high-current measuring transducer containing a non-magnetic frame covering a busbar with a measured current, on which n measuring elements of magnetic induction are placed at equal intervals, each of which contains a magnetic field concentrator in the form of a magnetic circuit, in one gap of which is located in a plane perpendicular to the lines magnetic induction generated by the measured current, placed the Hall sensor, one output of which is connected to the ground bus, the other to the input of the pulse shaper, the output of which о connected to the first input of the sampling-storage device, a sawtooth generator, a magnetizing winding, one output of which is connected through an resistor to an earth bus, and the connection point of the magnetizing winding and a resistor is connected to the second input of the sampling-storage device, the output of which is the output of the magnetic measuring element induction, and the outputs of all the measuring elements of the magnetic induction are connected to n inputs of the summing device, the output of which is the output of the entire Converter characterized in that the sawtooth voltage generator is connected to one of the inputs of the voltage adder, a voltage adder based on an operational amplifier and a power meter, which are part of each magnetic induction measuring element, as well as a variable current component sensor, which is located on non-magnetic frame and made in the form of a current transformer with one secondary winding wound on a ferromagnetic core, and a current-voltage converter on the main ve operational amplifier, and the output of the voltage adder through the power amplifier is connected to the other output of the magnetizing winding, and the sensor of the alternating current component is connected between the ground bus and the input of the current-voltage converter, the output of which is connected to the other input of the voltage adder, as well as to the corresponding inputs of the voltage adders other (n-1) measuring elements of magnetic induction, and the transfer coefficient of the adder is chosen so that the compensation of the variable component m magnetic flux from the measured current in the magnetic circuit.