SU1112293A1

SU1112293A1 - Device for measuring current

Info

Publication number: SU1112293A1
Application number: SU823399114A
Authority: SU
Inventors: Петр Иванович Мелихов
Original assignee: Предприятие П/Я А-1758
Priority date: 1982-02-22
Filing date: 1982-02-22
Publication date: 1984-09-07

Abstract

УСТРОЙСТВО ЛЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА, содержащее входной измерительный преобразователь, первый и второй светоизлучатели, первый и второй фотоприещики, оптически раздельно св занные fc одноименными светоизлучател ми , согласующий усилитель, вход которого соединен с выходом указанного измерительного преобразовател , а выход св тан с одним выводом первого светоизлучател , усилитель фототока , к входу которого присоединен один вывод первого фотоприемника, и измерительный прибор, соединенный с выходом усилител фототока, отличающеес тем, что, с целью повышени точности измерени , в него дополнительно.введены третий и четвертый светоизлучатели, оптически раздельно св занные соответственно с первым и вторым фотоприемниками , присоединенные одними выводами к выходу усилител фототока, один вывод второго светоизлучател присоединен с выходу согласующего усилител , один вывод второго фотоприемника св зан с входом усилител фотото (Л ка, а другие выводы первого и второс го, третьего и четвертого светоизлучателей , первого и второго фотоприемников раздельно присоединены к противоположным полюсам введенных источников напр жени смещени .A CURRENT MEASUREMENT DEVICE, containing an input transducer, first and second light emitters, first and second photo detectors, optically separated by f with like light emitters, a matching amplifier, whose input is connected to the output of the specified transducer, and the output is connected to one output of the first light emitter , a photocurrent amplifier, to the input of which one output of the first photodetector is connected, and a measuring instrument connected to the output of the photocurrent amplifier, characterized by that, in order to improve the measurement accuracy, it additionally introduces third and fourth light emitters, optically separated, respectively, with the first and second photodetectors, connected by one output to the output of the photocurrent amplifier, one output of the second light emitter is connected to the output of the matching amplifier, one output of the second the photodetector is connected to the input of the phototool amplifier (L ka, and the other conclusions of the first and second, third and fourth light emitters, the first and second photodetectors are separately connected to the opposite poles of the input bias voltage sources.

Description

Изобретение относитс к-электроизмерительной технике и может быть использовано дл измерений посто нных и переменных токов в высоковольтных цеп х электрофизических и электротехнических установок.The invention relates to an electrical measuring technique and can be used for measuring direct and alternating currents in high-voltage circuits of electrophysical and electrical installations.

Известно устройство дл измерени тока в линии высокого напр жени , содержащее измерительный элемент, например шунт, включенный последовательно в цепь линии, два светоизлучател , выполненные в виде двух соединенных параллельно-встречно светодиодов , подключенных через ограничиваю1дай резистор к выходу измерительного элемента, два фотоприемника - фототранзистора, оптически раздельно св занных посредством световодов с указанными светоизлучател ми, и усилител-ь фототока фотоприемников, выполненный в виде дифференциального усилител , охваченного параллельной отрицательной обратной св зью по напр жению, входы которого присоединены к эмиттерам фототранзисторов, а.выход св зан с измерительным прибором ij .A device for measuring current in a high voltage line is known, which contains a measuring element, for example, a shunt connected in series to a line circuit, two light emitters made in the form of two parallel-opposite LEDs connected through a limited resistor to the output of the measuring element, two photo-receivers - a phototransistor optically coupled by means of optical fibers with the indicated light emitters, and a photocurrent amplifier of photodetectors, made in the form of a differential amplifier l covered parallel negative feedback of voltage, the inputs of which are connected to the emitters of phototransistors a.vyhod associated with the measuring instrument ij.

Такое устройство имеет недостаточную линейность характеристики, обусловленную значительной нелинейностью начальной части характеристики светоизлучателей , недостаточную температурную и временную стабильность, а также малое быстродействие, обусловленНое свойствами светоизлучателей и фотоприемников.Such a device has insufficient linearity characteristics, due to the considerable nonlinearity of the initial part of the characteristics of light emitters, insufficient temperature and temporal stability, as well as low speed, due to the properties of light emitters and photodetectors.

Известно также устройство дл -измерени тока, содержащее входной измерительный преобразователь, светоизлучатель в виде светодиода, присоединенный через ограничивающий резистор к выходу указанного измерительного преобразовател , фотоприемник, выполненный в виде фототранзистора, оптически св занного со светоизлучателем , усилитель фототока, вход которого св зан с выходом фототранзистора , и выход.подключен к выходу устройства . В устройство введена коррек .тирующа цепь отрицательной обратной св зи по напр жению, выполненна посредством оптопары, светоизлучатель которой включен параллельно выходу устройства, а выход фотоприемника электрически св зан с инвертирующим входом усилител фототока 2J .It is also known a device for measuring current, comprising an input transducer, a light emitter in the form of a LED, connected via a limiting resistor to the output of the specified measurement transducer, a photodetector made as a phototransistor optically coupled to the light emitter, a photocurrent amplifier, the input connected to the output phototransistor, and output. connected to the output of the device. A negative feedback negative feedback circuit is inserted into the device, made by an optocoupler whose light emitter is connected parallel to the output of the device, and the photoreceiver output is electrically connected to the inverting input of the photocurrent amplifier 2J.

Недостатки данного устройства относительно низка временна стабильность характеристики устройстваThe disadvantages of this device is relatively low temporal stability characteristics of the device.

И ограниченна рабоча полоса частот измер емого сигнала, обусловленные неидентичностью изменени параметров фотоприемников и их ограниченным быстродействием.And the limited working frequency band of the measured signal is due to the nonidentical change in the parameters of the photodetectors and their limited speed.

Наиболее бпизким по технической сущности к предлагаемому вл етс устройство дл измерени тока, содержащее входной измерительньй преобразователь , согласующий усилитель,св занный своим входом с измерительным преобразователем, два последовательно соединенных светоизлучател , присоединенных к выходу согласующего усилител , усилитель фототока, выход которого соединен с измерительным прибором , и два фотоприемника, один из которьк соединен с входом согласующего усилител , а другой присоединен к входу усилител фототока, причем | каждый фотоприемник оптически св зан с одним из светоизлучателей Sj .The most technical by nature of the present invention is a current measuring device comprising an input measuring converter, a matching amplifier connected to a measuring converter with its input, two series-connected light emitters connected to the output of a matching amplifier, a photocurrent amplifier whose output is connected to a measuring device , and two photodetectors, one of which is connected to the input of the matching amplifier, and the other is connected to the input of the photocurrent amplifier, and | each photodetector is optically coupled to one of the light emitters Sj.

Известное устройство имеет значительную погрешность измерени , обусловленную недостаточной линейностью характеристики в области малых токов, недостаточной временной и температурной стабильностью, св занной с изменением характеристик светоизлучателей и фотоприемников, а также относительно низким быстродействием, ограниченным частотными свойствами фотоприемников .The known device has a significant measurement error due to insufficient linearity of the characteristic in the area of low currents, insufficient temporal and temperature stability associated with changes in the characteristics of light emitters and photodetectors, as well as relatively low speed limited by the frequency properties of the photodetectors.

Цель изобретени - повышение точности измерени .The purpose of the invention is to improve the measurement accuracy.

Поставленна цель достигаетс тем, что в устройство дл измере.-ни тока, содержащее входной измерительный преобразователь, первый и второй светоизлучатели, первый и второй фотоприемники , оптически раздельно св занные с одноименными светоизлучател ми , согласующий усилитель,вход которого соединен с выходом указанного измерительного преобразовател , а выход св зан с одним выводом первого светоизлучател , усилитель фототока , к входу которого присоединен один вывод первого фотоприемника, и измерительный прибор, соединенньш с выходом усилител фототока, дополнительно введены третий и четвертый светоизлучатели, оптически раздельно св занные соответственно с первым и вторым фотоприемниками, присоединен-, ные одними выводами к выходу усилител фототока, один вывод второго светоизлучател присоединен к выхо31The goal is achieved by the fact that in a device for measuring a current containing an input transducer, a first and a second light emitters, a first and a second photodetectors optically separated from the emitters of the same name, a matching amplifier whose input is connected to the output of the specified transducer and the output is connected to one output of the first light emitter, a photocurrent amplifier, to the input of which one output of the first photodetector is connected, and a measuring device connected to the output photocurrent enhancer, third and fourth light emitters, optically separated from the first and second photodetectors, respectively, connected by the same pins to the output of the photocurrent amplifier, are added; one output of the second light emitter is connected to output 31

ду согласующего усилител , один вывод .второго фотоприемника св зан с входом усилител фототока, а другие выводы первого и второго, третьего и четвертого светоизлучателей, первого и второго фотоприемников присоединены раздельно к противоположным полюсам введенных источников напр жени смещени .a matching amplifier, one output of the second photodetector is connected to the input of the photocurrent amplifier, and the other terminals of the first and second, third and fourth light emitters, the first and second photodetectors are connected separately to the opposite poles of the input bias voltage sources.

На чертеже представлена прингщпиальна электрическа схема устройства .The drawing shows a printable electrical circuit of the device.

Устройство содержит входной измери тельный преобразователь 1, например шунт, соединенный с входом согласующего , усилител 2, первый и второй светоизлучатели 3 и 4, выполненные, например, в виде светодиодов, оптически , св занные соответственно с фотоприемниками 5 и 6, усилитель 7 фототока, третий и четвертый светоизлучатели 8 и 9, также оптически раздельно св занные с фотоприемникамиThe device contains an input transducer 1, for example, a shunt connected to the input of a matching, amplifier 2, the first and second light emitters 3 and 4, made, for example, in the form of LEDs, optically connected respectively to photodetectors 5 and 6, the photocurrent amplifier 7, the third and fourth light emitters 8 and 9, also optically separate from the photodetectors

5и 6 соответственно, и измерительный прибор 10, подключенный к выходу усилител 7 фототока.. Светоизлучатёли 3 и 4, 3 и 5 одними выводами присоединены соответственно к выходу согласующего усилител 2 и к выходу усилител 7 фототока, а фотоприемники 5 и 6 также одними выводами св заны с входом усилител 7 фототока. Дру гие выводы светоизлучателей 3 и 4,5 and 6, respectively, and the measuring device 10 connected to the output of the photocurrent amplifier 7. The light emitters 3 and 4, 3 and 5 are connected to the output of the matching amplifier 2 and the output of the photocurrent amplifier 7, respectively, and the photodetectors 5 and 6 Zany with the input amplifier 7 photocurrent. Other findings of light emitters 3 and 4,

8 и. 9 и фотоприемников 5 и 6 присоединены раздельно к противоположным полюсам источников напр жени Е, Eg и ЕЗ смещени .8 and. 9 and photodetectors 5 and 6 are connected separately to the opposite poles of the voltage sources E, Eg, and EZ offset.

Оптическа св зь между светоизлучател ми 3 и 4 и фотоприемниками 5 иOptical link between the light emitters 3 and 4 and the photodetectors 5 and

6обеспечивает гальваническую разв зку измерительной части устройства от его регистрирующей части и может быть выполнена, например, на основе волоконно-оптических световодов, обеспечивающих практически любые необходимые напр жени разв зки. Согласующий усилитель 2и-усилитель 7 фототока могут быть выполнены, например, на дифференциальных операционных усилител х , охваченных параллельной отри- цательной обратной св зью по напр жению . Фотоприемники 5 и 6 могут быть также присоединены к входу усилител 6 provides galvanic isolation of the measuring part of the device from its recording part and can be performed, for example, on the basis of fiber-optic light guides, providing almost any necessary isolation voltages. The matching amplifier 2i-amplifier 7 photocurrent can be performed, for example, on differential operational amplifiers covered by parallel negative voltage feedback. Photodetectors 5 and 6 can also be connected to the amplifier input.

7фототока по мостовой схеме.7 photo on the bridge circuit.

Устройство работает следующим образом .The device works as follows.

При отсутствии контролируемого тог ка через входной измерительный преобразователь 1, например шунт, вход2934 In the absence of a controlled current through the input transducer 1, for example, a shunt, input 2934

ное и выходное напр жени согласующего усилител 2 также равны нулю, а через светоизлучатели 3 и 4 протекают начальные токи, определ емые последовательно включенными с ними резисторами и напр жением смещени Е. Величину этих токов выбирают в наиболее линейной области характеристики светоизлучателей. Излучение светоизлучателей 3 и 4 поступает на фотоприемники 5 и 6.The output and output voltages of the matching amplifier 2 are also zero, and the initial currents flow through the light emitters 3 and 4, which are determined by the resistors connected in series with them and the bias voltage E. The magnitude of these currents is chosen in the most linear range of the characteristics of the light emitters. The radiation emitters 3 and 4 is supplied to the photodetectors 5 and 6.

На эти же фотоприемники поступает и излучение светоизлучателей 8 и 9, включенных на выход усилител 7 фототока по схеме, идентичной схеме включени светоизлучателей 3 и 4. Схема в целом балансируетс таким образом, чтобы напр жение на выходе устройства было равно нулю. Балансировка мо- .The same photodetectors also receive radiation from the light emitters 8 and 9 connected to the output of the photocurrent amplifier 7 according to a circuit identical to that of the light emitters 3 and 4. The circuit as a whole is balanced so that the output voltage of the device is zero. Balancing my

жет осуществл тьс как электрически, так и оптически - путем изменени соотношени световых потоков, падающих на фотоприемники. При этом входной сигнал усилител 7 фототока определ етс разностью фототоков фотоприемников 5 и 6, поэтому синфазные (временные , температурные, радиационные) изменени этих токов практически не вли ют на выходное напр жение устройства , взаимно компенсируютс также темновые токи однотипных фотоприемников 5 и 6.It can be carried out both electrically and optically by changing the ratio of the light fluxes incident on the photodetectors. At the same time, the input signal of the photocurrent amplifier 7 is determined by the difference of the photocurrents of the photodetectors 5 and 6, therefore the in-phase (temporal, temperature, radiation) changes of these currents have practically no effect on the output voltage of the device, and the dark currents of the same type of photodetectors 5 and 6 are mutually compensated.

При наличии контролируемого тока DX, протекающего через входной измерительный преобразователь 1, например шунт, на его выходе возникает напр жение , которое поступает на согласующий усилитель 2, усиливающий это напр жение до уровн , необходимого дл оптимальной-работы светоизлучателей 3 и 4. При этом ток, протекающий че- -рез один светоизлучатель (дл определенности 3), увеличиваетс , а через другой - уменьшаетс . Соответственно световой поток, падающий на фотоприемник 5, увеличиваетс , а на фотоприемник 6 - уменьшаетс . Очевидно,что такое противофазное изменение световых потоков излучателей 3 и 4 приводит к по влению на выходе усилител If there is a controlled current DX flowing through the input transducer 1, for example a shunt, a voltage is generated at its output, which is supplied to matching amplifier 2, which amplifies this voltage to the level necessary for optimal operation of the light emitters 3 and 4. At the same time The flow through the cutout of one light emitter (for definiteness 3) increases, and through the other decreases. Accordingly, the luminous flux incident on the photodetector 5 increases, and on the photodetector 6 decreases. Obviously, such an antiphase change in the light fluxes of the emitters 3 and 4 leads to the appearance of an amplifier at the output

7 фототоков отрицательного напр жени соответствующей величины. В этом случае ток, протекаюи1лй через свето- излучатель 8, уменьшаетс , а через светоизлучатель 9 - увеличиваетс .7 photocurrent negative voltage of the corresponding magnitude. In this case, the current flowing through the light emitter 8 decreases, and through the light emitter 9 increases.

Следовательно, суммарньм световой поток , падаюпщй на каждый фотоприемник, поддерживаетс с помощью усилител 7 фототока на неизменном уровне. Та51 КИМ образом, фотоприемники 5 и 6, включенные на вход усилител 7 фототока , посредством Передачи на них световых сигналов, определ емьк выходным напр жением усилител 7 фототока, оказываютс охваченными жесткой отрицательной обратной св зью. При достаточно большом коэффициенте усилени усилител 7, фототока и идентичных светоизлучател х 3, 4, 8, 9,а также при одинаковьк коэффициентах передачи световых потоков на фотоприемники 5 и б выходное напр жение усилител 7 фототока равно выходному напр жению согласующего усилител 2, т.е. пропорционально величине измер е мого тока Ох В случае разных коэффициентов передачи световых потоков на фотоприемники 5 и 6 от светоизлуча телей 3 и 4, 8 и 9, выходное напр жение усилител 7 фототока также пропорционально выходному напр жению уси лител 2,причем коэффициент пропорцио нальности зависит от степени неравенства коэффициентов передачи. Выходное напр жение устройства, возникающее на выходе усилител 7 фототока, региctpиpyeтc измерительным прибором 10,показани которого пропорциональны величине контролируемого тока Зу . Предлагаемое устройство имеет большую линейность характеристики в области малых токов, так как светоизлучатели при этом работают в режи ,ме, близком к начальному, т.е. в наиболее линейной части их характеристик . При измерении больших токов линейность характеристики устройства также выше, поскольку нелинейность харак 93 теристик фотоприемников не вли ет, в отличие от известного устройства на линейность передаточной характеристики устройства в целом. Это св зано с тем, что фотоприемники в предлагаемом. устройстве работают в наиболее оптимальном дл них режиме - при практически посто нной освещенности, т.е. При неизменной рассеиваемой на них мощности, причем величина освещенности может быть выбрана такой, чтобы полезный фототок был значительно больше темнового, что повышает стабильность работы предлагаемого устройства . Предлагаемое устройство имеет более высокую температуру и временную стабильность, обусловленную полной симметрией его оптоэлектронного тракта и близким расположением фотоприемников один относительно другого, наход щихс вследствие этого практически в одинаковых температурных услови х , а также повьш1енное быстродействие , св занное с наличием жесткой отрицательной обратной св зи, охватывакщей фотоприемники, снижающей их эквивалентную посто нную времени i Кроме того, предлагаемое устройство более устойчиво к изменению напр жений питани и смещений, так как все светоизлучатели и фотоприемники включены в нем по дифференциальным схемам,и позвол ет измер ть токк обеих пол рностей. Использование предлагаемого устройства позвол ет повысить точность измерений.в услови х изменени внешних вли ний и параметров оптоэлектронньк элементов.Consequently, the total luminous flux, falling on each photodetector, is maintained by the amplifier 7 of the photocurrent at a constant level. In this way, the photodetectors 5 and 6, which are connected to the input of the photocurrent amplifier 7, by transmitting light signals to them, determined by the output voltage of the photocurrent amplifier 7, are covered by a hard negative feedback. With a sufficiently large gain of amplifier 7, photocurrent and identical light emitters 3, 4, 8, 9, as well as with identical transmission coefficients of light fluxes to photodetectors 5 and b, the output voltage of the amplifier 7 of the photocurrent is equal to the output voltage of the matching amplifier 2, m. e. proportional to the magnitude of the measured current Oh In the case of different transmission coefficients of the luminous fluxes to the photodetectors 5 and 6 from the light emitters 3 and 4, 8 and 9, the output voltage of the photocurrent amplifier 7 is also proportional to the output voltage of the amplifier 2, and the proportionality factor depends on the degree of inequality of transmission coefficients. The output voltage of the device that occurs at the output of the amplifier 7 photocurrent, registering with a measuring device 10, the readings of which are proportional to the value of the controlled current Zu. The proposed device has a high linearity characteristics in the field of small currents, since the light emitters while working in the mode, IU, close to the initial, i.e. in the most linear part of their characteristics. When measuring large currents, the linearity of the device is also higher, since the nonlinearity of the characteristics of photodetectors does not affect, in contrast to the known device, the linearity of the transfer characteristic of the device as a whole. This is due to the fact that the photodetectors in the proposed. the device is operated in the most optimal mode for them - with almost constant illumination, i.e. With a constant power dissipated on them, and the magnitude of the illumination can be chosen such that the useful photocurrent is significantly more dark, which increases the stability of the proposed device. The proposed device has a higher temperature and temporal stability, due to the complete symmetry of its optoelectronic path and the close proximity of the photodetectors to one another, which are consequently in almost the same temperature conditions, and also due to the presence of hard negative feedback, photodetectors, reducing their equivalent time constant i. In addition, the proposed device is more resistant to changes in voltage power and bias, since all light emitters and photodetectors are included in it according to differential circuits, and allows to measure the current of both polarities. The use of the proposed device makes it possible to increase the accuracy of measurements under the conditions of changing external influences and parameters of optoelectronic elements.

Claims

DEVICE FOR CURRENT MEASUREMENT, comprising an input measuring transducer, first and second light emitters, first and second photodetectors, optically separately coupled with the same light emitters, a matching amplifier, the input of which is connected to the output of the specified measuring transducer, and the output is connected to one output of the first light emitter , a photocurrent amplifier, to the input of which one output of the first photodetector is connected, and a measuring device connected to the output of the photocurrent amplifier, characterized in that in order to increase the measurement accuracy, it additionally introduces a third and fourth light emitters, optically separately connected respectively with the first and second photodetectors, connected by one output to the output of the photocurrent amplifier, one output of the second light emitter is connected to the output of the matching amplifier _Q l, one output the second photodetector 9 is connected to the input of the photocurrent amplifier, and the other terminals of the first and second, third and fourth light emitters, the first and second photodetectors are separately connected to to the poles of the introduced bias voltage sources.