RU2168182C1

RU2168182C1 - Contact free measuring electric current transducer

Info

Publication number: RU2168182C1
Application number: RU2000112350A
Authority: RU
Inventors: М.К. Казаков; Г.В. Джикаев
Original assignee: Ульяновский государственный технический университет
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2001-05-27

Abstract

FIELD: electric measuring technique, namely measurement of alternating and pulse electric currents in electric power plants. SUBSTANCE: Rogovsky zone is in the form of two windings. Differential amplifier including operational amplifiers is used in order to increase inlet impedance of electronic circuits of apparatus and to lower influence of inductance of windings. EFFECT: enhanced accuracy of electric current measuring. 1 dwg

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике, в частности к измерениям переменных и импульсных токов в электроэнергетике. The invention relates to electrical engineering, in particular to measurements of alternating and pulsed currents in the electric power industry.

Известны электромагнитные измерительные трансформаторы тока на основе ферромагнитного сердечника с расположенными на нем обмотками. Недостатком таких устройств является нелинейность магнитопровода, что в ряде случаев приводит к снижению точности преобразования тока. Known electromagnetic measuring current transformers based on a ferromagnetic core with windings located on it. The disadvantage of such devices is the nonlinearity of the magnetic circuit, which in some cases leads to a decrease in the accuracy of current conversion.

Известны также измерительные преобразователи тока на основе пояса Роговского и пассивного интегратора (см. Шваб А. Измерения на высоком напряжении (Измерительные приборы и способы измерения). Пер с нем. -М.: Энергия, 1973. -С. 154). Их недостатком является использование пассивного интегратора, что вызывает дополнительные погрешности преобразования. Measuring current converters based on the Rogowski belt and a passive integrator are also known (see Schwab A. Measurements at high voltage (Measuring instruments and methods of measurement). Translated from it. -M.: Energy, 1973. -P. 154). Their disadvantage is the use of a passive integrator, which causes additional conversion errors.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для измерения токов на основе пояса Роговского и интегрирующего операционного усилителя (ОУ) (см. Волгин Л.И., Матчак А.Т. Бесконтактный датчик тока/Приборы и техника эксперимента. -1976. -N3. -С. 113-115), которое выбрано в качестве прототипа. Использование электронного интегратора позволяет повысить точность преобразования, но прототип имеет следующие недостатки. The closest technical solution to the proposed one is a device for measuring currents based on the Rogowski belt and an integrating operational amplifier (OA) (see Volgin LI, Matchak AT Non-contact current sensor / Instruments and experimental equipment. -1976. -N3 .-S. 113-115), which is selected as a prototype. Using an electronic integrator can improve the accuracy of the conversion, but the prototype has the following disadvantages.

Интегрирующий ОУ имеет небольшое входное сопротивление, что приводит к отбору мощности от пояса Роговского. Это снижает уровень сигнала на входе интегратора, что, в свою очередь, способствует возникновению погрешностей из-за роста влияния паразитных факторов (напряжения смещения ОУ, его входных токов, помех). Отметим, что при стремлении увеличить входное сопротивление интегрирующего ОУ выходной сигнал интегратора снижается, что нежелательно. Необходимо отметить также, что вследствие отсутствия ферромагнитного сердечника выходной сигнал пояса часто имеет небольшое значение, и это приводит к дополнительным погрешностям от указанных факторов. Кроме этого, вследствие влияния индуктивности L обмоток пояса Роговского реальная передаточная функция интегратора (имеющего параметры R и C), равная l/(pRC+p²LC), отличается от требуемой, равной l/pRC, что также приводит к погрешностям преобразования тока.The integrating op-amp has a small input impedance, which leads to the selection of power from the Rogowski belt. This reduces the signal level at the input of the integrator, which, in turn, contributes to the occurrence of errors due to the growth of the influence of spurious factors (bias voltage of the op-amp, its input currents, interference). Note that with the desire to increase the input impedance of the integrating op-amp, the output signal of the integrator decreases, which is undesirable. It should also be noted that due to the absence of a ferromagnetic core, the output signal of the belt is often of little importance, and this leads to additional errors from these factors. In addition, due to the inductance L of the Rogowski coil windings, the real transfer function of the integrator (having parameters R and C) equal to l / (pRC + p ² LC) differs from the required one equal to l / pRC, which also leads to current conversion errors.

Сущность решения состоит в стремлении получить технический результат, заключающийся в повышении точности измерения тока. The essence of the solution lies in the desire to obtain a technical result, which consists in increasing the accuracy of current measurement.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном бесконтактном измерительном преобразователе тока, содержащем пояс Роговского с первой обмоткой и интегрирующий операционный усилитель, выход которого является выходом устройства, особенность заключается в том, что первая обмотка пояса Роговского подсоединена между земляной шиной и неинвертирующим входом первого операционного усилителя, инвертирующий вход которого через первый резистор соединен с его же выходом, вторая обмотка пояса Роговского подключена к неинвертирующему входу второго операционного усилителя, инвертирующий вход которого через второй резистор соединен с его же выходом, между инвертирующими входами первого и второго операционных усилителей включен третий резистор, выход первого операционного усилителя через четвертый резистор подсоединен к инвертирующему входу третьего операционного усилителя, между инвертирующим входом и выходом которого включен пятый резистор, выход второго операционного усилителя через шестой и седьмой резисторы соединен с земляной шиной, причем общая точка шестого и седьмого резисторов подключена к неинвертирующему входу третьего операционного усилителя, выход которого соединен с входом интегрирующего операционного усилителя. The specified technical result is achieved in that in the known non-contact current measuring transducer containing a Rogowski belt with a first winding and integrating an operational amplifier, the output of which is the output of the device, the feature is that the first winding of the Rogowski belt is connected between the ground bus and the non-inverting input of the first operating an amplifier whose inverting input is connected to its output through the first resistor, the second winding of the Rogowski belt is connected to a non-inverter the input of the second operational amplifier, the inverting input of which is connected to its output through the second resistor, a third resistor is connected between the inverting inputs of the first and second operational amplifiers, the output of the first operational amplifier is connected to the inverting input of the third operational amplifier through the fourth resistor, between the inverting input and output which includes the fifth resistor, the output of the second operational amplifier through the sixth and seventh resistors is connected to the ground bus, and the common point and sixth and seventh resistors connected to the noninverting input of the third operational amplifier whose output is connected to the input of the integrating operational amplifier.

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 чертеже представлена схема изобретения. Оно содержит пояс Роговского с первой 1 и второй 2 обмотками, первый ОУ 3, второй ОУ 4, первый 5, второй 6, третий 7, четвертый 8, пятый 9, шестой 10, седьмой 11 резисторы, третий ОУ 12, интегрирующий ОУ 13. The drawing shows a diagram of the invention. It contains a Rogowski belt with the first 1 and second 2 windings, the first op-amp 3, the second op-amp 4, the first 5, the second 6, the third 7, the fourth 8, the fifth 9, the sixth 10, the seventh 11 resistors, the third op-amp 12, integrating the op-amp 13.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

При измерении тока пояс Роговского охватывает токопровод. При этом предлагается выполнить пояс в виде двух обмоток (1 и 2). На них наводится напряжение, которое пропорционально производной измеряемого переменного или импульсного тока. Узел на основе ОУ 3, 4, 12 и резисторов 5-11 образует дифференциальный усилитель напряжения. Его входное сопротивление (сопротивление нагрузки пояса Роговского) является очень высоким, что исключает влияние индуктивности обмоток пояса Роговского на выполнение операции интегрирования и отбор мощности от пояса, благодаря чему возрастает входное напряжение электронной части преобразователя. Это способствует снижению влияния паразитных факторов (напряжение смещения и входные токи интегрирующего ОУ, помехи). When measuring current, the Rogowski belt covers the conductor. It is proposed to perform a belt in the form of two windings (1 and 2). A voltage is induced on them, which is proportional to the derivative of the measured alternating or pulsed current. A node based on op-amps 3, 4, 12 and resistors 5-11 forms a differential voltage amplifier. Its input resistance (load resistance of the Rogowski belt) is very high, which eliminates the influence of the inductance of the windings of the Rogowski belt on the integration operation and power take-off from the belt, due to which the input voltage of the electronic part of the converter increases. This helps to reduce the influence of parasitic factors (bias voltage and input currents of the integrating op-amp, interference).

При выполнении условия R₁₁/R₁₀=R₉/R₈ (R₁₁, R₁₀, R₉, R₈ - сопротивления соответственно резисторов 11, 10, 9, 8) выходное напряжение дифференциального усилителя определится выражением:

где (u₁-u₂)=u_вх - входное напряжение дифференциального усилителя, равное разности напряжений обмоток 1 и 2 пояса Роговского, а индексы сопротивлений соответствуют номерам резисторов на схеме устройства.When the condition R ₁₁ / R ₁₀ = R ₉ / R ₈ (R ₁₁ , R ₁₀ , R ₉ , R ₈ are the resistances of the resistors 11, 10, 9, 8, respectively), the output voltage of the differential amplifier is determined by the expression:

where (u ₁ -u ₂ ) = u _in is the input voltage of the differential amplifier equal to the voltage difference between the windings 1 and 2 of the Rogowski belt, and the resistance indices correspond to the numbers of resistors in the device diagram.

Выражение (1) показывает возможность дополнительного увеличения входного напряжения интегрирующего ОУ 14 с помощью увеличения коэффициента передачи дифференциального усилителя, что достигается соответствующим изменением сопротивления резистора 7. Это способствует еще большему снижению влияния паразитных факторов и, следовательно, повышению точности измерения тока. Полное симметрирование входной цепи устройства с помощью предложенного решения также позволяет снизить влияние помех. Expression (1) shows the possibility of further increasing the input voltage of the integrating op-amp 14 by increasing the transfer coefficient of the differential amplifier, which is achieved by a corresponding change in the resistance of the resistor 7. This further reduces the influence of spurious factors and, therefore, improves the accuracy of current measurement. Full balancing of the input circuit of the device using the proposed solution also reduces the influence of interference.

Конструктивно обмотки 1 и 2 могут быть намотаны на каркасе пояса Роговского либо в виде двух обмоток, каждая из которых равномерно распределена по длине каркаса, либо выполнены в виде одной обмотки (также намотанной равномерно) с выводом от средней точки, т.е. в виде двух полуобмоток. Structurally, windings 1 and 2 can be wound on the frame of the Rogowski belt either in the form of two windings, each of which is evenly distributed along the length of the frame, or made in the form of one winding (also wound evenly) with the output from the midpoint, i.e. in the form of two semi-windings.

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 тока. 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, which consists in increasing the accuracy of current measurement. Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims

A non-contact current measuring transducer containing a Rogowski belt with a first winding and integrating an operational amplifier, the output of which is the output of the device, characterized in that the first winding of the Rogowski belt is connected between the ground bus and the non-inverting input of the first operational amplifier, the inverting input of which is connected through its first resistor to its with the same output, the second winding of the Rogowski belt is connected to the non-inverting input of the second operational amplifier, the inverting input of which is black Without a second resistor, it is connected to its output, a third resistor is connected between the inverting inputs of the first and second operational amplifiers, the output of the first operational amplifier through a fourth resistor is connected to the inverting input of the third operational amplifier, and a fifth resistor is connected between the inverting input and the output of the second operational amplifier through the sixth and seventh resistors is connected to the ground bus, and the common point of the sixth and seventh resistors is connected to the non-inverting input of the third an operational amplifier, the output of which is connected to the input of an integrating operational amplifier.