RU2729954C1 - Alternating current measuring device - Google Patents
Alternating current measuring device Download PDFInfo
- Publication number
- RU2729954C1 RU2729954C1 RU2019136565A RU2019136565A RU2729954C1 RU 2729954 C1 RU2729954 C1 RU 2729954C1 RU 2019136565 A RU2019136565 A RU 2019136565A RU 2019136565 A RU2019136565 A RU 2019136565A RU 2729954 C1 RU2729954 C1 RU 2729954C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- operational amplifier
- input
- voltage
- winding
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Current Or Voltage (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое устройство относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения малых токов инфранизких частот бесконтактным способом. Устройство ориентировано на использование в составе системы пофидерного контроля токов утечки в электрических сетях.The proposed device relates to electrical measuring equipment and can be used to measure low currents of infra-low frequencies in a non-contact way. The device is designed for use as part of a feeder-based control system for leakage currents in electrical networks.
Известно устройство измерения переменного тока компенсационного действия [Лейтман В.Б., Мелик-Шахназаров A.M. Компенсационные измерительные преобразователи электрических величин. - М.: Энергия, 1978, стр. 103, рис. 4-9 в.]. Устройство содержит трансформатор тока с первичной обмоткой, измерительной обмоткой и компенсационной обмоткой, первый усилитель, преобразователь ток-напряжение, содержащий второй усилитель и резистор обратной связи. Измерительная обмотка подключена к входу первого усилителя, выход которого подключен к первому выводу компенсационной обмотки, второй вывод компенсационной обмотки подключен к преобразователю ток-напряжение.Known device for measuring alternating current compensatory action [Leitman VB, Melik-Shakhnazarov A.M. Compensation measuring transducers of electrical quantities. - M .: Energy, 1978, p. 103, fig. 4-9 c.]. The device contains a current transformer with a primary winding, a measuring winding and a compensation winding, a first amplifier, a current-voltage converter containing a second amplifier and a feedback resistor. The measuring winding is connected to the input of the first amplifier, the output of which is connected to the first terminal of the compensation winding, the second terminal of the compensation winding is connected to the current-voltage converter.
Недостаток устройства связан с тем, что повышение точности ограничено наличием напряжения смещения нуля первого усилителя УС1. Это проявляется в том, что для повышения точности необходимо повышать коэффициент усиления первого усилителя УС1, а при повышении коэффициента усиления за счет смещения нуля возрастает постоянная составляющая на выходе усилителя, что приводит к неработоспособности устройства.The disadvantage of the device is associated with the fact that the increase in accuracy is limited by the presence of the zero bias voltage of the first amplifier US1. This is manifested in the fact that in order to improve the accuracy, it is necessary to increase the gain of the first amplifier US1, and with an increase in the gain due to the zero offset, the DC component at the amplifier output increases, which leads to the inoperability of the device.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототипом) является устройство измерения переменного тока (измерительный узел), входящий в состав электронного трансформатора тока [Пат. 2555524 РФ, МПК G01R 19/00. Электронный трансформатор тока / Рожнов Е.И. - Опубл. 10.07.2015, Бюл. №19.]. Измерительный узел устройства содержит трансформатор тока с первичной обмоткой, измерительной обмоткой и компенсационной обмоткой, предварительный усилитель (операционный усилитель), преобразователь напряжение-ток, состоящий из операционного усилителя и резистора, измерительная обмотка подключена ко входу операционного усилителя, выход операционного усилителя соединен с входом преобразователя напряжение-ток, выход преобразователя напряжение-ток подключен к компенсационной обмотке, полезный сигнал снимается с выхода операционного усилителя.The closest in technical essence to the proposed device (prototype) is an alternating current measuring device (measuring unit), which is part of an electronic current transformer [US Pat. 2555524 RF, IPC G01R 19/00. Electronic current transformer / Rozhnov E.I. - Publ. 10.07.2015, Bul. No. 19.]. The measuring unit of the device contains a current transformer with a primary winding, a measuring winding and a compensation winding, a preamplifier (operational amplifier), a voltage-current converter consisting of an operational amplifier and a resistor, the measuring winding is connected to the input of the operational amplifier, the output of the operational amplifier is connected to the input of the converter voltage-current, the output of the voltage-current converter is connected to the compensation winding, the useful signal is taken from the output of the operational amplifier.
Прототип имеет следующий недостаток. Чем больше коэффициент усиления операционного усилителя, тем более точно будет происходить компенсация. Для повышения точности следует повышать коэффициент, но это сопряжено с возникновением проблемы, связанной с напряжением смещения нуля операционного усилителя. При очень большом коэффициенте на выходе операционного усилителя появляется постоянная составляющая, которая поступает на вход преобразователя напряжение-ток. В результате компенсирующий ток будет иметь постоянную составляющую, что приведет к несимметричной работе сердечника трансформатора или к его насыщению. Если же использовать усилитель переменного тока, то он будет иметь искажения амплитудно-частотной характеристики в области низких частот, что приводит к существенным искажениям сигнала на низких частотах. Таким образом, повышение точности ограничено наличием напряжения смещения нуля операционного усилителя.The prototype has the following disadvantage. The higher the gain of the operational amplifier, the more accurate the compensation will be. The gain should be increased to improve accuracy, but this presents a problem with the op-amp's offset voltage. With a very large coefficient, a constant component appears at the output of the operational amplifier, which is fed to the input of the voltage-current converter. As a result, the compensating current will have a constant component, which will lead to asymmetric operation of the transformer core or to its saturation. If you use an AC amplifier, then it will have distortions in the frequency response in the low frequency region, which leads to significant signal distortions at low frequencies. Thus, the improvement in accuracy is limited by the presence of the zero bias voltage of the op amp.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение точности, в том числе снижение фазовых погрешностей при работе на инфранизких частотах.The task of the proposed technical solution is to improve the accuracy, including the reduction of phase errors when operating at infra-low frequencies.
Технический результат заключается в том, что за счет введенных блоков операционный усилитель может работать без местной отрицательной обратной связи, то есть с очень большим коэффициентом усиления, что приводит к повышению точности.The technical result consists in the fact that due to the introduced blocks, the operational amplifier can operate without local negative feedback, that is, with a very high gain, which leads to increased accuracy.
Поставленная задача достигается устройством для измерения переменного тока, содержащим трансформатор тока с первичной обмоткой, измерительной обмоткой и компенсационной обмоткой, операционный усилитель, преобразователь напряжение-ток, измерительная обмотка подключена к входу операционного усилителя, выход операционного усилителя соединен с входом преобразователя напряжение-ток, выход преобразователя напряжение-ток подключен к компенсационной обмотке, дополнительно введены цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), делитель, блок микроконтроллера, содержащий аналого-цифровой преобразователь (АЦП), измерительная обмотка одним выводом подключена к общему проводу, другим выводом подключена к первому входу операционного усилителя, выход операционного усилителя подключен к входу АЦП, информационный выход блока микроконтроллера соединен с входом ЦАП, а другой информационный выход блока микроконтроллера является выходом устройства, выход ЦАП соединен с входом делителя, выход делителя соединен со вторым входом операционного усилителя.The task is achieved by a device for measuring alternating current, containing a current transformer with a primary winding, a measuring winding and a compensation winding, an operational amplifier, a voltage-current converter, the measuring winding is connected to the input of the operational amplifier, the output of the operational amplifier is connected to the input of the voltage-current converter, the output of the voltage-current converter is connected to the compensation winding, a digital-to-analog converter (DAC), a divider, a microcontroller unit containing an analog-to-digital converter (ADC) are additionally introduced, the measuring winding is connected to the common wire with one terminal, the other terminal is connected to the first input of the operational amplifier, the output the operational amplifier is connected to the ADC input, the information output of the microcontroller unit is connected to the DAC input, and the other information output of the microcontroller unit is the device output, the DAC output is connected to the divider input, the divider output is connected to the second input of the operational amplifier.
На фиг. приведена структурная схема устройства. Устройство содержит трансформатор тока 1 с первичной обмоткой 2, измерительной обмоткой 3 и компенсационной обмоткой 4, операционный усилитель 5, преобразователь напряжение-ток (ПНТ) 6, делитель 7, ЦАП 8, блок микроконтроллера 9, в состав которого входит АЦП 10. Измерительная обмотка 3 одним выводом подключена к общему проводу, другим выводом подключена к первому входу операционного усилителя 5. Выход операционного усилителя 5 соединен с входом преобразователя напряжение-ток бис входом АЦП 10, выход преобразователя напряжение-ток 6 подключен к компенсационной обмотке 4. Начало и конец компенсационной обмотки 4 подключены таким образом, что через нее реализуется отрицательная обратная связь по переменному току. Один информационный выход блока микроконтроллера 9 подключен к входу ЦАП 8, а другой информационный выход блока микроконтроллера является выходом устройства. Выход ЦАП 8 соединен с входом делителя 7, выход которого подключен ко второму входу операционного усилителя 5.FIG. the block diagram of the device is shown. The device contains a current transformer 1 with a primary winding 2, a measuring winding 3 and a compensation winding 4, an
Устройство работает следующим образом.The device works as follows.
Измеряемый переменный ток I1 поступает на первичную обмотку 2 трансформатора тока 1. На компенсационную обмотку 4 поступает компенсирующий ток I2. За счет неидеальности компенсации возникает незначительное перемагничивание сердечника трансформатора тока 1. В результате на измерительной обмотке 3 появляется переменное напряжение, которое усиливается операционным усилителем 5. Операционный усилитель 5 не имеет местной отрицательной обратной связи, поэтому его коэффициент усиления равен собственному коэффициенту усиления, как правило, от 200000 до нескольких миллионов. Напряжение на измерительной обмотке 3 настолько мало, что операционный усилитель 5 работает в линейном режиме, то есть на его выходе формируется переменное напряжение, не достигающее значений питающего напряжения. С выхода операционного усилителя 5 переменное напряжение поступает на вход преобразователя напряжение-ток 6, на выходе которого формируется переменный ток I2, который пропорционален входному напряжению.The measured alternating current I 1 is supplied to the primary winding 2 of the current transformer 1. The compensating current I 2 is supplied to the compensation winding 4. Due to imperfect compensation, a slight magnetization reversal of the current transformer 1 occurs. As a result, an alternating voltage appears on the measuring winding 3, which is amplified by the
Операционный усилитель 5 работает в линейном режиме, то есть амплитуда на его выходе не становится слишком большой за счет действия отрицательной обратной связи по переменному току через трансформатор тока 1. Амплитуда напряжения на выходе операционного усилителя 5 автоматически устанавливается такой, чтобы наступила компенсация измеряемого тока компенсирующим током. То обстоятельство, что коэффициент усиления операционного усилителя 5 очень большой, приводит не к тому, что на его выходе увеличивается амплитуда, а к тому, что на его входе амплитуда напряжения уменьшается, то есть наступает более точная компенсация.The
За счет большого коэффициента усиления операционного усилителя 5 достигается точная компенсация измеряемого тока I1 компенсирующим током I2. Так как выходное напряжение операционного усилителя 5 пропорционально компенсирующему току I2, выходное напряжение операционного усилителя 5 пропорционально измеряемому току I1.Due to the large gain of the
Любой операционный усилитель имеет параметр - напряжение смещения нуля, поэтому операционные усилители практически никогда не могут работать без отрицательной обратной связи по постоянному току. Для устранения этого недостатка в предлагаемом устройстве реализована автоматическая коррекция напряжения смещения нуля, которая работает периодически. Следует отметить, что любая корректировка смещения нуля непрерывного действия вносит искажения общей амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик устройства, особенно в области низких частот. В предлагаемом устройстве автоматическая корректировка нуля периодического действия реализуется с помощью блока микроконтроллера 9, ЦАП 8 и делителя 7.Any operational amplifier has a parameter - a zero bias voltage, so operational amplifiers can almost never work without negative DC feedback. To eliminate this drawback, the proposed device implements automatic zero offset voltage correction, which works periodically. It should be noted that any continuous zero offset correction introduces distortions to the overall frequency response and phase response of the device, especially in the low frequency range. In the proposed device, automatic zero correction of periodic action is implemented using the
С выхода операционного усилителя 5 сигнал поступает на вход АЦП 10, который входит в состав блока микроконтроллера 9. Блок микроконтроллера 9 выполнен с возможностью осуществления многократного измерения мгновенных значений напряжения, поступающего на вход АЦП. В блоке микроконтроллера 9 выделяется постоянная составляющая измеряемого напряжения, в соответствии с этим вырабатывается корректирующее значение для компенсации напряжения смещения нуля операционного усилителя 5. Корректирующее значение передается в ЦАП 8. Важным является то, что коррекция производится периодически, изменения корректирующего напряжения происходят в промежутках между измерениями переменного тока, а в процессе измерения переменного тока корректирующее напряжение остается неизменным.From the output of the
Кроме этого, в блоке микроконтроллера производится вычисление параметров измеряемого тока, например, действующего (среднеквадратичного) значения тока. Все это осуществляется по одному из известных алгоритмов. Например, с помощью метода наименьших квадратов или с помощью преобразования Фурье. Результат передается на второй информационный выход блока микроконтроллера 9.In addition, in the microcontroller unit, the parameters of the measured current are calculated, for example, the effective (rms) current value. All this is done according to one of the well-known algorithms. For example, using the least squares method or using the Fourier transform. The result is transmitted to the second information output of the
Связь информационного выхода блока микроконтроллера 9 с входом ЦАП 8 осуществляется по одному из известных интерфейсов, это может быть, например, SPI, I2C или любой другой. На выходе ЦАП 8 формируется постоянное напряжение, которое пропорционально требуемому корректирующему значению напряжения смещения нуля. Диапазон возможных значений напряжения на выходе ЦАП 8 исчисляется вольтами, например, от -5 В до +5 В. Это напряжение поступает на делитель, на выходе которого формируется напряжение, соизмеримое с напряжением смещения нуля операционного усилителя 5. Например, максимальное напряжение смещения нуля для операционного усилителя типа ОР07 составляет 75 мкВ, при использовании этого операционного усилителя выходное напряжение делителя должно меняться в пределах от -75 мкВ до +75 мкВ. Исходя из конкретных цифр рассчитываются резисторы R1 и R2 делителя.The communication of the information output of the
Следует отметить, что существуют современные операционные усилители с очень малым напряжением смещения нуля. Но, каким бы ни был операционный усилитель, напряжение смещения нуля всегда есть, это означает, что он не может работать при полном отсутствии отрицательной обратной связи по постоянному току. Например, если операционный усилитель имеет напряжение смещение нуля 1 мкВ, а коэффициент усиления 1000000, то на его выходе будет постоянная составляющая напряжения 1 В. Этого вполне достаточно чтобы за счет постоянной составляющей тока компенсирующей обмотки сердечник трансформатора вошел в насыщение.It should be noted that there are modern operational amplifiers with very low offset voltages. But no matter what the op amp is, there is always a zero offset voltage, which means that it cannot operate in the absence of negative DC feedback at all. For example, if the operational amplifier has a zero offset of 1 μV and a gain of 1,000,000, then its output will have a constant voltage component of 1 V. This is quite enough for the transformer core to saturate due to the constant component of the compensating winding.
Также существуют операционные усилители с коррекцией смещения нуля. Они не подходят для работы в таких измерительных схемах из-за большого шума на его выходе. Кроме того, типичное значение напряжения смещения для операционного усилителя с автокоррекцией нуля - порядка 1 мкВ, то есть смещение все равно есть.There are also zero offset op amps available. They are not suitable for work in such measuring circuits due to the large noise at its output. In addition, the typical offset voltage for an auto-zero op amp is on the order of 1 µV, so there is still an offset.
Таким образом, за счет совокупности работы описанных блоков и их связей достигается возможность работы операционного усилителя 5 без местной обратной связи и при этом решается проблема наличия напряжения смещения нуля. То есть появляется возможность увеличивать коэффициент усиления и при этом смещение нуля не будет мешать. Большой коэффициент усиления операционного усилителя 5 обеспечивает точную компенсацию измеряемого тока компенсирующим током, в результате повышается точность измерения.Thus, due to the combination of the operation of the described blocks and their connections, the possibility of operation of the
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019136565A RU2729954C1 (en) | 2019-11-13 | 2019-11-13 | Alternating current measuring device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019136565A RU2729954C1 (en) | 2019-11-13 | 2019-11-13 | Alternating current measuring device |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2729954C1 true RU2729954C1 (en) | 2020-08-13 |
Family
ID=72086385
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019136565A RU2729954C1 (en) | 2019-11-13 | 2019-11-13 | Alternating current measuring device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2729954C1 (en) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0233443A1 (en) * | 1984-08-10 | 1987-08-26 | Schrack Elektronik-Aktiengesellschaft | Circuit arrangement for evaluating AC signals obtained from the secondary side of a transformer |
US4876502A (en) * | 1988-05-09 | 1989-10-24 | Westinghouse Electric Corp. | Wide dynamic range current measuring apparatus |
RU2217768C2 (en) * | 2001-04-20 | 2003-11-27 | ООО Компания "МИР" | Ac-to-dc converter for producing unified dc signals |
RU111681U1 (en) * | 2011-08-31 | 2011-12-20 | Закрытое акционерное общество "Инженерно-технический центр "Континуум" | ELECTRIC VALUES MEASURING CONVERTER |
RU2555524C1 (en) * | 2014-03-13 | 2015-07-10 | Евгений Иванович Рожнов | Electronic current transformer |
RU2617858C1 (en) * | 2015-12-11 | 2017-04-28 | Евгений Иванович Рожнов | Electronic current transformer |
-
2019
- 2019-11-13 RU RU2019136565A patent/RU2729954C1/en active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0233443A1 (en) * | 1984-08-10 | 1987-08-26 | Schrack Elektronik-Aktiengesellschaft | Circuit arrangement for evaluating AC signals obtained from the secondary side of a transformer |
US4876502A (en) * | 1988-05-09 | 1989-10-24 | Westinghouse Electric Corp. | Wide dynamic range current measuring apparatus |
RU2217768C2 (en) * | 2001-04-20 | 2003-11-27 | ООО Компания "МИР" | Ac-to-dc converter for producing unified dc signals |
RU111681U1 (en) * | 2011-08-31 | 2011-12-20 | Закрытое акционерное общество "Инженерно-технический центр "Континуум" | ELECTRIC VALUES MEASURING CONVERTER |
RU2555524C1 (en) * | 2014-03-13 | 2015-07-10 | Евгений Иванович Рожнов | Electronic current transformer |
RU2617858C1 (en) * | 2015-12-11 | 2017-04-28 | Евгений Иванович Рожнов | Electronic current transformer |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2108587C1 (en) | Current intensity measuring transducer | |
US9753062B2 (en) | System and method for current measurement in the presence of high common mode voltages | |
US11061100B2 (en) | System for continuous calibration of hall sensors | |
US10901004B2 (en) | High-voltage measuring unit with self-correction | |
JPH0743390A (en) | Self-calibrating method for current probe device and self-calibating type current probe device | |
KR20140051054A (en) | Active shunt ammeter apparatus and method | |
Budovsky | Measurement of phase angle errors of precision current shunts in the frequency range from 40 Hz to 200 kHz | |
JPS634717B2 (en) | ||
RU2729954C1 (en) | Alternating current measuring device | |
JP7093616B2 (en) | Current-voltage conversion circuit | |
US5357210A (en) | Transconductance amplifier circuit | |
Miljanic | Calibrator for alternating voltage, current, and power | |
US6608492B1 (en) | AC impedance bridge | |
Mohns et al. | An AC power amplifier for testing instrument transformer test equipment | |
US3416076A (en) | Voltage regulating means for impedance bridge measuring circuits | |
JP3332660B2 (en) | Electric quantity measuring device | |
CA2034047C (en) | Transimpedance circuit | |
Budovsky et al. | Precision characterisation of current transformers and shunts in the audio frequency range | |
Budovsky et al. | Precision ac–dc transfer measurement system based on a 1000-V inductive voltage divider | |
WO2022270104A1 (en) | Impedance measurement device and impedance measurement method | |
GB1602296A (en) | Current sources | |
SU265272A1 (en) | NETWORK- 1ft in ^ TECHNICAL LIBRARY | |
RU2047181C1 (en) | Current metering device | |
JPH0131592B2 (en) | ||
SU1335815A1 (en) | Device for measuring parameters of power sources |