RU2176799C1 - Способ цифрового бесконтактного измерения электрического тока и устройство его реализации - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано при бесконтактном высокоточном контроле и регулировании переменного и постоянного тока J_x, при создании цифровых датчиков тока. Технический результат - повышение точности измерения электрических токов, получение величины бесконтактно измеряемых токов в цифровой форме, удобной для хранения, обработки и передачи ее современными цифровыми системами. В предлагаемом способе на ферромагнитный сердечник наносятся четыре обмотки: первичная с измеряемым током, вторая - компенсационная многосекционная, коммутируемая встречно, с дискретно изменяемыми ампер-витками, третья - дифференциальная с высокочастотным периодическим линейным или нелинейным, например косинусоидальным, током и четвертая - сигнальная, в которой получают сигнальные импульсы, с помощью которых автоматически определяют знак и величину измеряемого тока в двоичной системе счисления по алгоритму, заложенному в микропроцессорный контроллер датчика. Устройство, реализующее способ, содержит указанный ферромагнитный сердечник с обмотками, усилитель-формирователь сигнальных импульсов, микропроцессорный контроллер, одно- и многоразрядные ключи, коммутатор, генераторы косинусоидального тока и тактовых импульсов, преобразователь код - ток, дешифратор, RS- и Т-триггеры, регистры и др., соединенные между собой вполне определенным образом, обеспечивающим достижение поставленной цели. 2 с.п. ф-лы, 12 ил.

Description

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано при бесконтактном высокоточном контроле и регулировании переменного и постоянного тока J_X, в частности, при создании цифровых датчиков тока.

Известен способ бесконтактного измерения тока J_X, основанный на определении величины магнитного потока в магнитопроводе, охватывающем проводник с током, с помощью датчиков Холла, расположенных в одном или нескольких поперечных разрезах магнитопровода [1, 2]. На выходе датчиков Холла возникает напряжение, пропорциональное магнитному потоку, а следовательно, и измеряемому току. Процесс измерения тока сводится к измерению получаемого напряжения.

Недостатками данного способа являются:
- низкая точность измерений устройствами, реализующими этот способ, из-за погрешностей самих датчиков Холла, дестабилизирующего действия поперечных разрезов магнитопровода;
- необходимость дополнительных не предусмотренных способом операций для получения цифрового значения измеряемого тока, связанных с оцифровкой получаемого датчиком Холла напряжения.

Известен компенсационный способ бесконтактного измерения токов [3, 4], также основанный на использовании датчиков Холла, но отличающийся от предыдущего тем, что датчиком Холла при этом определяют разностное значение магнитного потока, образованного проводником W₁ с измеряемым током J_X и второй обмоткой W₂ с компенсирующим током i_К, причем последний формируют по сигналу от датчика Холла. По значению компенсирующего тока i_К судят о значении измеряемого тока J_X.

В данном способе сужается диапазон работы датчиков Холла, что уменьшает влияние составляющей ошибки, связанной с нелинейностью их характеристик, но возрастает значимость аддитивной составляющей погрешностей этих датчиков; сохранилось и даже усилилось влияние всех остальных, отмеченных выше недостатков предыдущего способа, поскольку датчики Холла сами имеют низкую чувствительность при малых разностных значениях магнитных потоков, к тому же им приходится работать по данному способу в основном в области петли гистерезиса. Увеличение влияния ошибок связано и с тем, что датчики Холла по способу перестали выполнять функции измерений всего тока J_X, а превратились в элемент регулирования компенсирующего тока i_К с присущими этому процессу ошибками, особенно при малых значениях измеряемых токов J_X. По данному способу именно компенсирующий ток i_К считается результатом определения измеряемого тока J_X, а он сам нуждается в дополнительных операциях фильтрации, измерения и оцифровки.

Наиболее близким к предлагаемому является "Способ бесконтактного измерения электрического тока" [5], по которому с помощью первичной обмотки W₁ (проводника, фиг. 1) ферромагнитного сердечника, имеющего прямоугольную петлю гистерезиса (фиг. 2), под влиянием пропущенного через нее измеряемого тока J_X в сердечнике создают основной магнитный поток напряженностью H₁ = W₁•J_X/L, где L - длина средней магнитной силовой линии. С помощью обмотки компенсации W₂ под воздействием компенсирующего тока i_К создают встречный магнитный поток напряженностью -H₂ = -W₂•i_К/L. Если разностный магнитный поток напряженностью Δ H = H₁ - H₂ = W₁•J_X/L-W₂•i_К/L, убывая за счет увеличения i_К, оказывается меньше -H_S при i_К ≥ (L•H_S + W₁•J_X)/W₂, где H_S - напряженность магнитного поля в ферромагнитном сердечнике, соответствующая границам его перемагничивания при насыщении, то происходит перемагничивание ферромагнитного сердечника и при этом в компенсационной обмотке появляется отрицательный импульс, с помощью которого делают знак производной компенсирующего тока отрицательным. Компенсирующий ток i_К после этого начинает убывать, вызывая увеличение Δ H и при Δ H ≥ H_S происходит обратное перемагничивание ферромагнитного сердечника, а в компенсационной обмотке появляется положительный импульс, с помощью которого производную компенсирующего тока делают опять положительной. Компенсирующий ток i_К после этого начинает вновь возрастать и так далее. О величине измеряемого тока J_X судят по значению низкочастотной составляющей компенсирующего тока [5]: i_К = ±J_X•(W₁/W₂)±H_S•L/W₂, где второе слагаемое ±H_S•L/W₂ представляет собой аддитивную ошибку от неучета в данном способе влияния петли гистерезиса. Это один из недостатков данного способа. Другими весомыми недостатками являются отсутствие в этом способе явно выраженных операций измерения самого компенсирующего тока, его оцифровки, вычленения "низкочастотной составляющей" компенсирующего тока, то есть низкая точность измерений.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения электрического тока, получение величины бесконтактно измеряемого тока в цифровой форме, удобной для хранения, обработки и передачи ее современными цифровыми вычислительными системами.

Цель достигается тем, что, как и в известном способе, измеряемый ток J_X пропускают через первичную обмотку W₁ ферромагнитного сердечника и тем самым создают в нем основной магнитный поток напряженностью H₁ = W₁•J_X/L, через обмотку грубой компенсации W₂ сердечника пропускают компенсирующий ток i_К и тем самым создают в нем магнитный поток -H₂ = -W₂•i_К/L. В отличие от аналогов и прототипа в данном изобретении через многосекционную обмотку грубой компенсации пропускают зафиксированное на время текущего измерения, а не изменяющееся значение компенсирующего тока i_К: i_К = J_Xmax•W₁•k^ОТ/(n•W_2max•w^*), где J_Xmax - заранее известное максимальное значение измеряемого тока; W_2max - максимальное количество витков в обмотке грубой компенсации; k^ОТ - текущее значение дискрета компенсирующего тока i_К; n - максимальное количество дискретов изменения компенсирующего тока; w^* - текущее значение дискрета коммутируемых витков обмотки грубой компенсации, через нанесенную на ферромагнитный сердечник многосекционную дифференциальную обмотку W₃ пропускают косинусоидальный (фиг. 3,a) ток i_Д = A_i•cos(2 π •f•t), где f - частота и A_i - амплитуда косинусоидального тока, превышающая по действию половину ширины петли гистерезиса A_i > H_S•L/W₃, создают при этом дополнительный знакопеременный магнитный поток напряженностью H_Д = W₃•A_i•cos(2 π •f•t)/L. Если напряженность итогового разностного Δ H магнитного потока Δ H = H₁ - H₂ + H_Д = (W₁•J_X - W₂•i_К + W₃•A_i•cos(2 π • f•t))/L, возрастая при измерении за счет увеличения периодического сигнала i_Д, из положения отрицательного состояния магнитной индукции -B_S становится больше +H_S (см. фиг. 2), то происходит перемагничивание ферромагнитного сердечника в положительное состояние магнитной индукции +B_S, или, наоборот, убывая при измерении за счет уменьшения периодического сигнала i_Д, из положения положительного состояния магнитной индукции +B_S становится меньше -H_S (см. фиг. 2), то происходит перемагничивание ферромагнитного сердечника в отрицательное состояние магнитной индукции -B_S.

С помощью нанесенной на ферромагнитный сердечник сигнальной обмотки W_C (см. фиг. 1) в моменты перемагничиваний сердечника из отрицательного -B_S в положительное +B_S состояние магнитной индукции получают, соответственно, на ниспадающей фазе косинусоидального тока И_H - положительный и на возрастающей фазе И_B - отрицательный сигнальные импульсы (фиг. 3 - 7, б), наводимые под воздействием электродвижущей силы ε [6] ε = -S•(dB/dH)•(d(i_Д•W₃)/dt)/L, где S - характеристика ферромагнитного материала, называемая постоянной переключения (перемагничивания); (dB/dH) - крутизна петли гистерезиса, имеющая вид функции колоколообразной формы, как и сами наводимые сигнальные импульсы И_H, И_B; (d(i_Д•W₃)/dt) - скорость изменения ампер-витков в дифференциальной обмотке W₃, причем сигнальные импульсы И_H, И_B (см. фиг. 3, б) имеют обостренную колоколообразную форму, способствующую точному отсчету моментов перемагничивания и условий его выполнения, однако, для достижения еще большей точности отсчетов получаемые сигнальные импульсы И_B, И_H пропускают через усилитель-формирователь, где сначала дифференцируют, получая более обостренные (фиг. 3,в) импульсы И_HД, И_BД, затем детектируют И_HДД, И_BДД (фиг. 3,г) и после этого используют в процессе измерений и управления режимами работы устройства.

Генератором упомянутого выше косинусоидального тока i_Д формируют кроме того импульсы конца ниспадающей И_HC и возрастающей И_BC фаз косинусоидального тока (см. фиг. 3 - 7, 11), соответственно.

Реализуют метод черезпериодного измерения путем использования усилителя - формирователя с управляемым запирающим входом, когда на четном периоде косинусоидального тока его закрывают, чтобы избавиться от помех, возникающих в сигнальной обмотке при скачкообразном изменении в обмотке грубой компенсации требуемых ампер-витков, и открывают его, соответственно, на нечетных периодах косинусоидального тока для выделения полезных сигнальных импульсов И_H, И_B и производства с их помощью необходимых измерений.

В начале или в процессе измерений именно в зависимости от получения на измерительных периодах косинусоидального тока сигнальных импульсов перемагничивания И_H, И_B реализуют следующие режимы работы предлагаемого устройства:
a) при наличии обоих сигналов И_H и И_B - режим измерения точного значения контролируемого тока J_X;
b) при наличии лишь одного отрицательного сигнального импульса И_B - режим положительной коррекции;
c) при наличии лишь одного положительного сигнального импульса И_H - режим отрицательной коррекции;
d) при отсутствии сигнальных импульсов вообще режим сканирования - поиска, при необходимости во всем диапазоне возможного изменения ампер-витков W₁•J_Xmin - W₁•J_Xmax измеряемого тока J_X, его фактического текущего значения с учетом знака.

В режиме точного измерения (a, фиг. 11, 12) на измерительных периодах косинусоидального тока используют импульсы И_BC и И_HC как дальние границы отсчетов при определении временных интервалов K_H ^ОТ и K_B ^ОТ от соответствующих сигнальных импульсов перемагничивания И_H и И_B, преобразуют временные интервалы K_H ^ОТ, K_B ^ОТ в числа K_НЧ ^ОТ, K_ВЧ ^ОТ и вводят их при j измерении в микропроцессорный контроллер для реализации алгоритма вычисления значения измеряемого тока J_Xj.

J_Xj = k_j ^ОТ•W_2j/W₁,
где k_j ^ОТ = (k_j-2 ^ОТ + μ•(K_ВЧj ^ОТ - K_НЧj ^ОТ))•W_2j/W₁;
μ - масштабирующий коэффициент;
k_j-2 ^ОТ, k_j ^ОТ - значения компенсирующих ампер-витков, полученные и запомненные при предыдущем (j-2)-м и текущем j-м измерениях тока, соответственно;
W₁ - количество витков первичной обмотки;
W_2j - количество витков обмотки грубой компенсации при j измерении.

Для производства очередного (j + 2)-го измерения вычисленное значение величины k_j ^ОТ делят на максимальное значение компенсирующего тока i_Кmax, а полученный результат округляют в сторону ближайшего большего значения w_j* которое и используют для коммутации требуемого при очередном (j + 2)-м измерении количества витков обмотки грубой компенсации W_2j+2 = W_2max•w_j*/ λ, где λ - максимальная кратность дискретного увеличения количества коммутируемых витков обмотки грубой компенсации, W_2max - максимальное количество витков в обмотке грубой компенсации. Величину k_j ^ОТ опять делят, но теперь на W_2j+2, и результат вводят в регистр управления компенсирующим током i_Kj+2, где с помощью преобразователя код - ток формируют на четном периоде j+1 косинусоидального тока его новое значение i_Kj = m₁k_j ^ОТ/[W_2j+2], где m₁ - коэффициент преобразования код - ток. Знаком числа k_j ^ОТ, если он изменяется, на следующем четном (j+1)-м периоде косинусоидального тока коммутируют включение обмотки грубой компенсации на противоположное, и так далее.

В режиме отрицательной коррекции (фиг. 11c, 12c), которая происходит при появлении на j-м нечетном периоде косинусоидального тока лишь одного положительного сигнального импульса И_H, значение ампер-витков обмотки грубой компенсации k_j ^ОТ корректируют k_j+2 ^ОТ = k_j ^ОТ + k^ОТ на отрицательную величину k^ОТ = -(A_i•W₃ - δ ПЧ - H_S•L), где δ ПЧ - ширина зоны значений ампер-витков дифференциальной обмотки (см. фиг. 3), внутри которой при перемагничивании наводимой в сигнальной обмотке электродвижущей силы ε недостаточно для формирования указанных сигнальных импульсов требуемой амплитуды. Скорректированную величину k_j+2 ^ОТ делят на i_Kmax и полученный результат округляют в сторону ближайшего большего значения w_j*, которое и используют для коммутации требуемого количества витков обмотки грубой компенсации W_2j+2 = W_2max•w_j*/ λ. Величину k_j+2,K ^ОТ опять делят, но теперь на W_2j+2, и результат вводят в регистр управления компенсирующим током, где с помощью преобразователя код - ток формируют на четном периоде j+l косинусоиды его новое значение i_j+2,K = m₁•k_j+2 ^ОТ/W_2j+2.

В режиме положительной коррекции (фиг. 11b, 12b), которая происходит при появлении на измерительном периоде косинусоидального тока лишь одного отрицательного сигнального импульса И_B, ампер-витки обмотки грубой компенсации корректируют на ту же, но положительную величину k^ОТ = (A_iW₃ - δ ПЧ - H_S•L), последовательность операций по управлению количеством витков W_2j+2 и током i_j+2,K в обмотке грубой компенсации при этом остается такой же, как и в режиме отрицательной коррекции.

В режиме сканирования (фиг. 11, 12) поиск условий перемагничивания производят, когда на измерительных периодах косинусоидального тока сигнальные импульсы не появляются вообще, и тогда на четных периодах косинусоидального тока изменяют сначала направление включения обмотки грубой компенсации, а затем и величину ее ампер-витков i_K•W₂ с шагом Δ (i_K•W₂) возрастания, H_S•L < Δ (i_K•W₂) ≤ A_iW₃ - δ ПЧ, пока в сигнальной обмотке не появятся сигнальные импульсы, после чего переходят либо в режим коррекции, если появился лишь один сигнальный импульс, либо сразу в режим точного определения знака и величины измеряемого тока J_X, если сформировались оба сигнальных импульса.

Устройство цифрового бесконтактного измерения электрического тока представлено на фиг. 1 и фиг. 10. Принцип действия и устройство ферромагнитного сердечника с обмотками (см. фиг. 1) изложены выше при раскрытии предлагаемого способа, указано, что он наряду с известными первичной обмоткой W₁, через которую протекает измеряемый ток J_X, и второй компенсационной обмоткой W₂, включенной встречно, но ставшей многосекционной, содержит установленные дополнительно многосекционную дифференциальную обмотку W₃, через которую пропускают косинусоидальный ток i_Д, сигнальную обмотку W_С, в которой в моменты перемагничивания сердечника появляются сигнальные импульсы И_H, И_B.

На фиг. 10 приведена схема предлагаемого устройства, на которой показан ферромагнитный сердечник теперь уже с четырьмя обмотками 1. По отношению к прототипу [5] исключены и формирователь прямоугольного напряжения, и выходной резистор, но дополнительно введены три одноразрядных ключа 2, 8 и 9, два RS-триггера 3 и 4, генератор тактовых импульсов 6, два Т-триггера 5 и 10, дешифратор двухразрядного кода 7, два многоразрядных счетчика 11 и 12, три многоразрядных ключа 13, 14 и 15, генератор косинусоидального тока 16, усилитель-формирователь сигнальных импульсов 17, блок многоразрядных цепей развязки 18, выходной регистр 19, микропроцессорный контроллер 20, реализующий алгоритм, представленный на схеме фиг. 12, регистр управления количеством витков обмотки грубой компенсации 21, коммутатор витков обмотки грубой компенсации 22, блок питания 23, регистр управления током обмотки грубой компенсации 24, преобразователь код - ток 25.

Выходы сигнальной обмотки W_С ферромагнитного сердечника подключены к первому и второму входам усилителя-формирователя 17 сигнальных импульсов, выходы усилителя-формирователя 17 подсоединены: первый - к обнуляющему входу второго многоразрядного счетчика 12, к открывающему входу третьего одноразрядного ключа 9, к S-входу первого RS-триггера 3 и четвертому входу микропроцессорного контроллера 20, одновременно, второй - к обнуляющему входу первого многоразрядного счетчика 11, к открывающему входу второго одноразрядного ключа 8, к S-входу второго RS-триггера 4, к третьему входу микропроцессорного контроллера 20, одновременно. Второй 8 и третий 9 одноразрядные ключи соединены информационными входами с выходом тактового генератора 6, а выходами со счетными входами первого 11 и второго 12 многоразрядных счетчиков, соответственно. Выходы первого 11 и второго 12 многоразрядных счетчиков через второй 14 и третий 15 многоразрядные ключи подключены, соответственно, к первому и второму входам микропроцессорного контроллера 20.

Генератор косинусоидального тока 16 связан первым и вторым выходами с дифференциальной обмоткой W₃ ферромагнитного сердечника 1, третьим выходом - с закрывающим входом третьего одноразрядного ключа 9, с открывающим входом третьего многоразрядного ключа 15, со счетным входом первого Т-триггера 5, одновременно, четвертым выходом - с закрывающим входом второго одноразрядного ключа 8, с открывающим входом второго многоразрядного ключа 14, со счетным входом второго Т-триггера 10, с информационным входом первого одноразрядного ключа 2, одновременно. Первый Т-триггер 5 прямым выходом подключен к закрывающему входу первого одноразрядного ключа 2, второй Т-триггер 10 прямым выходом подсоединен к закрывающему входу первого многоразрядного ключа 13 и к открывающему входу усилителя-формирователя сигнальных импульсов 17. Выход первого одноразрядного ключа 2 соединен с R-входами первого 3 и второго 4 RS-триггеров, одновременно. Дешифратор двухразрядного кода 7 связан первым и вторым входами с прямыми выходами первого 3 и второго 4 RS-триггеров, соответственно, а первым, вторым, третьим и четвертым выходами через первый многоразрядный ключ 13 с пятым, шестым, седьмым и восьмым входами микропроцессорного контроллера 20, соответственно.

Микропроцессорный контроллер 20 выходами подключен: первым информационным - к входу регистра управления количеством витков обмотки грубой компенсации 21, вторым информационным - к входу регистра управления величиной тока обмотки грубой компенсации 24, третьим и четвертым - к второму и третьему входам коммутатора витков обмотки грубой компенсации 22 для управления включением этой обмотки, соответственно, пятым информационным - к входу выходного регистра 19.

Выход регистра управления количеством витков обмотки грубой компенсации 21 подсоединен к четвертому управляющему входу коммутатора витков обмотки грубой компенсации 22. Выход регистра 24 управления током обмотки грубой компенсации соединен с информационно-управляющим входом преобразователя код - ток 25, который своим выходом подключен к первому входу коммутатора витков обмотки грубой компенсации 22. Входы многосекционной обмотки грубой компенсации W₂ ферромагнитного сердечника 1 соединены с выходами коммутатора витков обмотки грубой компенсации 22. Выход выходного регистра 19 связан со входами блока многоразрядных цепей развязки 18.

Функционирование устройства, в котором реализован предлагаемый способ цифрового бесконтактного измерения электрического тока, происходит следующим образом. Пусть на рассматриваемом измерительном периоде произошло двухстороннее перемагничивание сердечника 1 и на выходе сигнальной обмотки W_С, а следовательно, и на первом и на втором выходах открытого усилителя-формирователя 17 появились сигнальные импульсы И_H и И_B (фиг. 11, эп. U_1,2 ¹⁷).

При этом сигнальный импульс И_H поступает:
- на S-вход первого RS-триггера 3 и переводит его прямой выход в единичное состояние, обеспечивая далее запись этой информации по первому входу в дешифратор двухразрядного кода 7;
- на обнуляющий вход второго многоразрядного счетчика 12 и обнуляет его, подготавливая к предстоящему счету;
- на открывающий вход третьего одноразрядного ключа 9 и открывает его для прохождения тактовых импульсов от генератора 6 на счетный вход второго многоразрядного счетчика 12, при этом счетчик 12 начинает подсчитывать тактовые импульсы;
- на четвертый вход микропроцессорного контроллера 20 для управления реализацией заложенных алгоритмов (фиг. 12).

Сигнальный импульс И_B приходит:
- на S-вход второго RS-триггера 4 и переводит его прямой выход в единичное состояние, обеспечивая далее запись этой информации по второму входу в дешифратор двухразрядного кода 7;
- на обнуляющий вход первого многоразрядного счетчика 11 и обнуляет его, подготавливая к предстоящему счету;
- на открывающий вход второго одноразрядного ключа 8 и открывает его для прохождения тактовых импульсов от генератора 6 на счетный вход первого многоразрядного счетчика 11, при этом счетчик 11 начинает подсчитывать тактовые импульсы;
- на третий вход микропроцессорного контроллера 20 для управления реализацией заложенных алгоритмов (фиг. 12).

Генератор косинусоидального тока 16 формирует на выходах: первом и втором, связанных с входами третьей дифференциальной обмотки W₃ ферромагнитного сердечника 1, указанный ток i_Д амплитудой A_i, третьем - импульс конца ниспадающей фазы И_ВС, четвертом - импульс конца возрастающей фазы И_НС косинусоидального тока (фиг. 11, эп. I_1,2 ¹⁶ и U_4,3 ¹⁶).

Импульс И_НС поступает:
- на счетный вход второго Т-триггера 10 и на его прямом выходе создает высокое напряжение (фиг. 11, эп. U₁ ¹²), которым по третьему входу открывается усилитель-формирователь 17 и по пятому входу закрывается первый многоразрядный ключ 13;
- на третий вход второго одноразрядного ключа 8 и закрывает его, завершая подсчет тактовых импульсов первым многоразрядным счетчиком 11 получением таким образом в этом счетчике двоичного числа K_ВЧ ^ОТ, пропорционального временному интервалу K_ВЧ ^ОТ между импульсами И_НС и И_В;
- на открывающий вход второго многоразрядного ключа 14 и открывает его для ввода двоичного числа K_ВЧ ^ОТ с выхода первого многоразрядного счетчика 11 через первый информационный вход в микропроцессорный контроллер 20;
- на информационный вход первого одноразрядного ключа 2 и, если он открыт, то через него на R-входы первого 3 и второго 4 RS-триггеров, одновременно, переводя их в нулевое состояние.

Импульс И_ВС приходит:
- на счетный вход первого Т-триггера 5 и на его прямом выходе создает высокое напряжение (фиг. 11, эп. U₁ ⁶), которым на два полупериода косинусоидального тока закрывается по второму входу одноразрядный ключ 2 и привести первый 3 и второй 4 RS-триггеры в исходное нулевое состояние импульсом И_НС можно будет, как это и требуется, лишь в самом начале следующего (j+2)-го измерительного периода косинусоидального тока;
- на третий вход третьего одноразрядного ключа 9 и закрывает его, завершая подсчет тактовых импульсов вторым многоразрядным счетчиком 12 получением таким образом в этом счетчике двоичного числа K_НЧ ^ОТ, пропорционального временному интервалу K_НЧ ^ОТ между импульсами И_ВС и И_Н;
- на второй вход третьего многоразрядного ключа 15 и открывает его для ввода двоичного числа K_НЧ ^ОТ с выхода второго многоразрядного счетчика 12 через второй информационный вход в микропроцессорный контроллер 20.

Двухразрядный дешифратор 7 при подаче на его первый и второй входы от прямых выходов первого 3 и второго 4 RS-триггеров, соответственно:
a) кода 11, что происходит при наличии на измерительном периоде косинусоидального тока обоих сигнальных импульсов И_Н и И_В, передает со своего четвертого выхода на четвертый вход многоразрядного ключа 13 сигнальное напряжение режима "a";
b) кода 01, что происходит при наличии на измерительном периоде косинусоидального тока лишь одного сигнального импульса И_В, передает со своего третьего выхода на третий вход многоразрядного ключа 13 сигнальное напряжение режима "b";
c) кода 10, что происходит при наличии на измерительном периоде косинусоидального тока лишь одного сигнального импульса И_H, передает со своего второго выхода на второй вход многоразрядного ключа 13 сигнальное напряжение режима "c";
d) кода 00, что происходит при отсутствии на измерительном периоде косинусоидального тока сигнальных импульсов, передает со своего первого выхода на первый вход многоразрядного ключа 13 сигнальное напряжение режима "d".

После завершения измерительного периода косинусоидального тока (см. фиг. 11, эп. U₁ ¹⁰) двухразрядный дешифратор 7 продолжает сохранять информацию о режиме (см. фиг. 11, эп. U₁ ⁵) еще половину периода. Первый многоразрядный ключ 13 открывается сразу же в начале четного периода (см. фиг. 11, эп. U₁ ¹⁰) сигналом с выхода второго Т-триггера 10 и потому на один из входов микропроцессорного контроллера 20 незамедлительно поступит сигнальное напряжение соответствующего режима:
- на восьмой вход, если реализуется режим "a", и таким образом предписывается использовать при вычислениях и программном управлении алгоритм a (см. фиг. 12);
- или на седьмой вход, если реализуется режим "b", и таким образом предписывается использовать при вычислениях и программном управлении алгоритм b (см. фиг. 12);
- или на шестой вход, если реализуется режим "c", и таким образом предписывается использовать при вычислениях и программном управлении алгоритм c (см. фиг. 12);
- или на пятый вход, если реализуется режим "d", и таким образом предписывается использовать при вычислениях и программном управлении алгоритм d (см. фиг. 12).

Алгоритмы режимов запускаются указанными сигнальными напряжениями и формируют сигналы управления обмоткой грубой компенсации:
- количеством ее витков W_2j+2, который с первого информационного выхода микропроцессорного контроллера 20 поступает на регистр управления количеством витков и далее на четвертый вход коммутатора витков 22 для исполнения;
- величиной компенсационного тока i_Kj+2, который со второго информационного выхода микропроцессорного контроллера 20 поступает на регистр управления током 24 и далее на преобразователь код - ток и затем на первый вход коммутатора витков 22 для исполнения;
- направлением встречного включения этой обмотки (режимы "a" и "d"), которые с третьего и четвертого выходов микропроцессорного контроллера 20 поступают на второй и третий входы коммутатора витков 22 для исполнения, готовя таким образом на (j + 1)-х четных периодах косинусоидального тока следующие за ними на нечетных периодах косинусоидального тока измерения на (j + 2)-м периоде косинусоидального тока.

В режиме "a", вычисленные по алгоритму a (см. фиг. 12) точные значения электрического тока J_Xj в цифровом виде J_XЧj через пятый выход микропроцессорного контроллера 20 поступают на вход выходного регистра 19 и далее с выхода последнего на входы блока многоразрядных цепей развязки 18.

Источники информации
1. Разин Г.И., Щелкин А.П. Бесконтактное измерение электрических токов. М., Атомиздат, 1974.

2. Наследов Д.Н., Зотова Н.П. Прибор для измерения постоянных токов до 40 кА. Ж-л "Электричество" N 3, 1961.

3. Авторское свидетельство СССР N 292238, МКИ H 03 K 19/14, 1971.

4. Михайлов В.В. и др. Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты. М., Энергоатомиздат, 1988.

5. RU, авторское свидетельство N 2133473 C1, МКИ G 01 R 19/00, 1998.

6. Мамошин В.Р. и др. Бортовые цифровые вычислительные машины КАВ. М., ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1991.

Перечень графических материалов
- фиг. 1 - ферромагнитный сердечник с обмотками,
- фиг. 2 - петля гистерезиса ферромагнитного сердечника,
- фиг. 3 - эпюра сигналов при полной компенсации,
- фиг. 4 эпюра сигналов при отрицательной недокомпенсации,
- фиг. 5 - эпюра сигналов при отрицательной предельной недокомпенсации,
- фиг. 6 - эпюра сигналов при положительной недокомпенсации,
- фиг. 7 - эпюра сигналов при отсутствии измерения,
- фиг. 8 - графики зависимости значений временных интервалов отсчета от величины недокомпенсации,
- фиг. 9 - график зависимости разности временных интервалов отсчета от величины иедокомпенсации,
- фиг. 10 - схема устройства цифрового бесконтактного измерения электрического тока,
- фиг. 11 - эпюра сигналов управления,
фиг. 12 - схема алгоритма микропроцессорного контроллера.

Claims (2)

1. Способ цифрового бесконтактного измерения электрического тока, заключающийся в том, что через первичную обмотку на ферромагнитном сердечнике пропускают измеряемый ток, через обмотку грубой компенсации этого сердечника пропускают компенсирующий ток, отличающийся тем, что через нанесенную на сердечник многосекционную дифференциальную обмотку пропускают косинусоидальный ток i_д = A_i • cos(2π • f • t), где f - частота и A_i - амплитуда косинусоидального тока, причем A_i > H_s • L/W₃, где H_s - напряженность магнитного поля в ферромагнитном сердечнике, соответствующая границам его перемагничивания при насыщениях, L - длина средней магнитной силовой линии, W₃ - количество витков дифференциальной обмотки, с помощью нанесенной на ферромагнитный сердечник сигнальной обмотки в моменты перемагничивания сердечника результирующим магнитным потоком получают сигнальные импульсы отрицательной полярности, если происходит перемагничивание с нижнего на верхний уровень магнитного насыщения, и положительной полярности, если происходит перемагничивание с верхнего уровня насыщения на нижний, если перемагничивания не происходит, то сигнальных импульсов не получают, в дополнительно введенном генераторе косинусоидального тока формируют импульсы конца ниспадающей и конца возрастающей фаз косинусоидального тока и на четных периодах косинусоидального тока блокируют цепи измерений и коммутируют в обмотке грубой компенсации требуемое количество витков и величину тока, а на нечетных периодах косинусоидального тока снимают блокировку цепей измерений и осуществляют измерения, если при измерении сигнальные импульсы не появляются, на четных периодах косинусоидального тока изменяют сначала направление включения обмотки грубой компенсации, а затем увеличивают величину ее ампер-витков с шагом Δ(i_к • W₂), при этом H_s • L < Δ(i_к • W₂) ≤ А_iW₃ - δПЧ, где δПЧ - ширина зоны значений ампер-витков дифференциальной обмотки, внутри которой при перемагничивании наводимой в сигнальной обмотке электродвижущей силы недостаточно для формирования указанных сигнальных импульсов требуемой амплитуды, пока в сигнальной обмотке не появятся сигнальные импульсы, если при измерении появляется один положительный сигнальный импульс, то ампер-витки обмотки грубой компенсации корректируют на отрицательную величину -(A_iW₃ - δПЧ - H_s • L), если на измерительном периоде косинусоидального тока появляется лишь один отрицательный сигнальный импульс, то ампер-витки обмотки грубой компенсации корректируют на ту же, но положительную величину (А_iW₃ - δПЧ - H_s • L), при появлении двух сигнальных импульсов одного на ниспадающей, а другого на возрастающей фазах косинусоидального тока преобразуют временные интервалы между импульсами конца ниспадающей и конца возрастающей фаз косинусоидального тока и указанными импульсами соответственно в числа К_нч ^от и К_вч ^от, и реализуют алгоритм вычисления значения измеряемого тока J_xj = k_j ^от • W_2j/W₁, где k_j ^от = k_j-2 ^от + μ • (К_вчj ^от - К_нчj ^от), μ - масштабирующий коэффициент; k_j-2 ^от, k_j ^от - значения ампер-витков обмотки грубой компенсации, полученные при предыдущем (j-2)-м и текущем j-м измерениях тока соответственно; W₁ - количество витков первичной обмотки; W_2j - количество витков обмотки грубой компенсации при j измерениях, для производства очередного (j + 2)-го измерения полученное значение величины k_j ^от делят на максимальное значение компенсирующего тока i_Кmах, полученный результат округляют в сторону ближайшего большего значения w_j*, которое и используют для коммутации требуемого количества витков W_2j+2 обмотки грубой компенсации перед очередным измерением W_2j+2 = w_j* • W_2max/λ, где λ - максимальная кратность дискретного увеличения количества коммутируемых витков обмотки грубой компенсации, W_2max - максимальное количество витков в обмотке грубой компенсации, величину k_j ^от делят на [W_2j+2] и формируют на четном периоде j + 1 косинусоидального тока с помощью преобразователя код - ток новое дискретное значение компенсирующего тока i_Кj = m₁ • [k_j ^от]/[W_2j+2], где m₁ - коэффициент преобразования код - ток, причем при изменении знака числа k_j ^от на следующем четном (j + 1)-м периоде косинусоидального тока коммутируют включение обмотки грубой компенсации на противоположное.

2. Устройство цифрового бесконтактного измерения электрического тока, содержащее ферромагнитный сердечник с первичной обмоткой и обмоткой грубой компенсации, отличающееся тем, что обмотка грубой компенсации выполнена многосекционной, на ферромагнитный сердечник дополнительно нанесены сигнальная и дифференциальная многосекционная обмотки, дополнительно введены три одноканальных ключа, два RS-триггера, генератор тактовых импульсов, два Т-триггера, дешифратор двухразрядного кода, два многоразрядных счетчика, три многоразрядных ключа, генератор косинусоидального тока, усилитель-формирователь сигнальных импульсов, блок многоразрядных цепей развязки, выходной регистр, микропроцессорный контроллер, реализующий алгоритм, представленный на фиг.12, регистр управления количеством витков обмотки грубой компенсации, коммутатор витков обмотки грубой компенсации, блок питания, регистр управления током обмотки грубой компенсации, преобразователь код - ток, при этом выходы сигнальной обмотки ферромагнитного сердечника подключены к первому и второму входам усилителя-формирователя сигнальных импульсов, выходы которого подсоединены первый к обнуляющему входу второго многоразрядного счетчика, к открывающему входу третьего одноразрядного ключа, к S-входу первого RS-триггера и к четвертому входу микропроцессорного контроллера одновременно, второй - к обнуляющему входу первого многоразрядного счетчика, к открывающему входу второго одноразрядного ключа, к третьему входу микропроцессорного контроллера и к S-входу второго RS-триггера одновременно, второй и третий одноразрядные ключи соединены информационными входами с выходом тактового генератора, а выходами со счетными входами первого и второго многоразрядных счетчиков соответственно, выходы первого и второго многоразрядных счетчиков через второй и третий многоразрядные ключи подключены соответственно к первому и второму входам микропроцессорного контроллера, генератор косинусоидального тока связан первым и вторым выходами с дифференциальной обмоткой ферромагнитного сердечника, третьим выходом - с закрывающим входом третьего одноразрядного ключа, с открывающим входом третьего многоразрядного ключа, со счетным входом первого Т-триггера одновременно, четвертым выходом - с закрывающим входом второго одноразрядного ключа, с открывающим входом второго многоразрядного ключа, со счетным входом второго Т-триггера, с информационным входом первого одноразрядного ключа одновременно, первый Т-триггер прямым выходом подключен к закрывающему входу первого одноразрядного ключа, второй Т-триггер прямым выходом подсоединен к закрывающему входу первого многоразрядного ключа,
к третьему открывающему входу усилителя-формирователя сигнальных импульсов одновременно, выход первого одноразрядного ключа соединен с R-входами первого и второго RS-триггеров одновременно, дешифратор двухразрядного кода связан первым и вторым входами с прямыми выходами первого и второго RS-триггеров соответственно, а первым - четвертым выходами через первый многоразрядный ключ с пятым - восьмым входами микропроцессорного контроллера соответственно, а последний выходами подключен первым информационным к входу регистра управления количеством витков обмотки грубой компенсации, вторым информационным к входу регистра управления величиной тока обмотки грубой компенсации, третьим и четвертым - к второму и третьему входам коммутатора витков обмотки грубой компенсации соответственно, пятым информационным - к входу выходного регистра, выход регистра управления количеством витков обмотки грубой компенсации подсоединен к четвертому управляющему входу коммутатора витков обмотки грубой компенсации, выход регистра управления током обмотки грубой компенсации соединен с информационно-управляющим входом преобразователя код - ток, который своим выходом подключен к первому входу коммутатора витков обмотки грубой компенсации, входы многосекционной обмотки грубой компенсации ферромагнитного сердечника соединены с выходами коммутатора витков обмотки грубой компенсации, а выход выходного регистра связан с входами блока многоразрядных цепей развязки.

Images