Устройство для измерения тока

Е ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТ ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯТОКА, содержащее входной измерительный преобразователь, первый и второйсветоиэлучатели, первый и второйфотоприеь.чики, оптически раздельносвязанные "с одноименными светоизлучателями, согласующий усилитель, входкоторого соединен с выходом указанного измерительного преобразователя,а выход свя",ан с одним выводом первого светоизлучателя, усилитель фототока, к входу которого присоединенодин вывод первого фотоприемника, иизмерительный прибор, соединенныйс выходом усилителя фототока, о т -л и ч а ю щ е е с я тем, что, сцелью повышения точности измерения,в него дополнительно введены третийи четвертый светоиэлучатели, оптически раздельно связанные соответственно с первым и вторым фотоприемниками, присоединенные одними выводамик выходу усилителя фототока, одинвывод второго светоизлучателя присоединен с выходу согласующего усилителя, один вывод второго фотоприемника связан с входом усилителя фототока, а другие выводы первого и второго, третьего и четвертого светоизлучателей, первого и второго фотоприемников раздельно присоединены к противоположным полюсам введенных источников напряжения смещения.Изобретение относится к электро- измерительной технике и может быть использовано для измерений постоянных и переменных токов в высоковольтных цепях электрофизических и электротехнических установок.Известно устройство для измерения тока в линии высокого напряжения, содержащее измерительный элемент, например шунт, включенный последо" вательно в цепь линии, два светоиэлучателя, выполненные в виде двух соединенных параллельно-встречно све тодиодов, подключенных через ограничивающий резистор к выходу измерительного элемента, два фотоприемника - фототранзистора, оптически раздельно связанных посредством световодов с укаэанными светоизлучателями, и усилитель фототока фотоприемников, выполненный в виде дифференциального усилителя, охваченного параллельной отрицательной обратной связью по напряжению, входы которого присоединены к эмиттерам фототранзисторов, а выход связан с измерительным прибором 1 .Такое устройство имеет недостаточную линейность характеристики, обусловленную значительной нелинейностью начальной части характеристики свето- излучателей, недостаточную температур ную и временную стабильность, а также малое быстродействие, обусловленное свойствами светоизлучателей и фотоприемников.Известно также устройство для измерения тока, содержащее входной измерительный преобразователь, свето- излучатель в виде светодиода, присоединенный через ограничивающий резис-тор к выходу указанного измерительного преобразователя, фотоприемник, выполненный в виде фототранзистора, оптически связанного со светоизлуча" телем, усилитель фототока, вход которого связан с выходом фототранзистора, и выход. подключен к выходу устройства, В устройство введена коррек.тирующая цепь отрицательной обратной связи по напряжению, выполненная посредством оптопары, светоизлучатель которой включен параллельно выходу устройства, а выход фотоприемника электрически связан с инвертирующим входом усяяятаяя фототоха Я .Недостатки данного устройства - относительно низкая временная стабильность характеристики устрОйства40 45 50 Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения тока, содержащее входной измерительный преобразователь, первый и второй светоизлучатели, первый и второй фотоприемники, оптически раздельно связанные с одноименными светоизлучателями, согласующий усилитель, вход которого соединен с выходом указанного измерительного преобразователя, а выход связан с одним выводом пер" вого светоизлучателя, усилитель фото- тока, к входу которого присоединен один вывод первого фотоприемника, и измерительный прибор, соединенный с выходом усилителя фототока, дополнительно введены третий и четвертыйсветонзлучатели, оптически раздельно связанные соответственно с первым и вторым фотоприемниками, присоединенные одними выводами к выходу усилителя Фототока, один вывод второгосветоизлучателя присоединен к выхои ограниченная рабочая полоса частотизмеряемого сигнала, обусловленныенеидентичностью изменения параметровфотоприемников и их ограниченнымбыстродействием.Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсяустройство для измерения тока, содер 10жащее входной измерительный преобразователь, согласующий усилитель,связанный своим входом с измерительнымпреобразователем, два последовательносоединенных светоизлучателя, присоединенных к выходу согласующего усили 15теля, усилитель фототока, выход которого соединен с измерительным прибором, и два фотоприемника, один изкоторых соединен с входом согласую 20щего усилителя, а другой присоединенк входу усилителя фототока, причемкаждый фотоприемник оптически связанс одним из светоизлучателей 3.Известное устройство имеет значи 25тельную погрешность измерения, обусловленную недостаточной линейностью характеристики в области малых токов,недостатОчной временной и температурной стабильностью, связанной с изменением характеристик светоизлучателей и фотоприемников, а также относительно низким быстродействием, ограниченным частотными свойствами фото-приемников.Цель изобретения - повышение точЗ 5 ности измерения,3 11122 ду согласующего усилителя, один вы- вод .второго Фотоприемника связан с входом усилителя Фототока, а другие выводы первого и второго, третьего и четвертого светоизлучателей, первого и второго Фотоприемников присоединены раздельно к противоположным полюсам введенных источников напряжения смещения.На чертеже представлена принци пиальная электрическая схема устройства.Устройство содержит входной измерительный преобразователь 1, например шунт, соединенный с входом согласующего. усилителя 2, первый и второй светоизлучатели 3 и 4, выполненные, например, в виде светодиодов, оптически. связанные соответственно с Фотоприемниками 5 и 6, усилитель 7 Фототока, третий и четвертый светоизлучатели 8 и 9, также оптически раздельно связанные с Фотоприемниками 5 и 6 соответственно, и измерительный прибор 10, подключенный к выхо цу усилителя 7 Фототока. Светоизлучатели 3 и 4, 8 и 9 одними выводами присоединены соответственно к выходу- согласующего усилителя 2 и к выходу усилителя 7 Фототока, а Фотоприемники 5 и 6 также одними выводами связаны с входом усилителя 7 фототока. Дру. гие выводы светоизлучателей 3 и 4, 8 .и. 9 и Фотоприемников 5 и 6 присоединены раздельно к противоположным полюсам источников напряжения Е, Е 2Э 5 и Е смещения.Оптическая связь между светоизлучателями 3 й 4 и Фотоприемниками 5 и 6 обеспечивает гальваническую развяз 40 ку измерительной части устройства от его регистрирующей части и может быть выполнена, например, на основе волоконно-оптических световодов, обеспечивающих практически любые необходи 45 мые напряжения развязки. Согласующий усилитель 2 и усилитель 7 Фототока могут быть выполнены, например, на дифференциальных операционных усилителях, охваченных параллельной отри- цательной обратной связью по напряже 50 нию. Фотоприемники 5 и 6 могут быть также присоединены к входу усилителя 7 Фототока по мостовой схеме.Устройство работает следующим об"разом.При отсутствии контролируемого то-., ка через входной измерительный преобразователь 1, например шунт, вход 93 4ное и выходное напряжения согласующего усилителя 2 также равны нулю, а через светоизлучатели 3 и 4 протекают начальные токи, определяемые последовательно включенными с ними резисторами и напряжеыием смещения Е. Величину этих токов выбирают в наиболее линейной области характеристики светоизлучателей. Излучение светоизлучателей 3 и 4 поступает на Фотоприемники 5 и 6.На эти же Фотоприемники поступает и излучение светоизлучателей 8 и 9, включенных на выход усилителя 7 фото- тока по схеме, идентичной схеме включения светоизлучателей 3 и 4. Схема в целом балансируется таким образом, чтобы напряжение на выходе устройства было равно нулю. Балансировка мо- . жет осуществляться как электрически, так и оптически - путем изменения соотношения световых потоков, падающих на Фотоприемники. При этом входной сигнал усилителя 7 Фототока определяется разностью Фототоков Фотоприемников 5 и 6, поэтому синфазные (временные, температурные, радиационные) изменения этих токов практически не влияют на выходное напряжение устройства, взаимно компенсируются также темновые токи однотипных Фотоприемников 5 и 6.При наличии контролируемого тока 3, протекающего через входной измерительный преобразователь 1, например шунт, на его выходе возникает напряжение, которое поступает на согласующий усилитель 2, усиливающий это напряжение до уровня, необходимого для оптимальной работы светоизлучателей 3 и 4. При этом ток, протекающий че - рез один светоизлучатель (для определенности 3), увеличивается, а через другой - уменьшается. Соответственно световой поток, падающий на Фотоприемник 5, увеличивается, а на Фотоприемник 6 - уменьшается. Очевидно,что такое противофазное изменение световых потоков излучателей 3 и 4 приводит к появлению на выходе усилителя 7 фототоков отрицательного напряжения соответствующей величины. В этом случае ток, протекающий через свето- излучатель 8, уменьшается, а через светоизлучатель 9 - увеличивается, Следовательно, суммарный световой поток, падающий на каждый Фотолриемник, поддерживается с помощью усилителя 7 фототока на неизменном уровне, Та1112293 Составитель С.ЗейскийТехред М,Тепер Корректор И.Муска Редактор А.Мотыль Ф Заказ 6452/30 Тираж 710Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж"35, Раушская наб., д. 4/5Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ким образом, фотоприемники 5 и 6, включенные на вход усилителя 7 фото- тока, посредством передачи на них све-товых сигналов, определяемых выходным напряжением усилителя 7 фототока, 5 оказываются охваченными жесткой отрицательной обратной связью.При достаточно большом коэф 4 яциенте усиления усилителя 7, фототока и идентичных светоизлучателях 34, 8, 9, а также при одинаковых коэффициентах передачи световых потоков на фотоприемники 5 и 6 выходное напряжение усилителя 7 фототока равно выходному напряжению согласующего усилителя 2, 15 т.е. пропорционально величине измеряемого тока 3 . В случае разных коэффициентов передачи световых потоков на фотоприемники 5 и 6 от светоизлучателей 3 и 4, 8 и 9, выходное напряже ние усилителя 7 фототока также пропорционально выходному напряжению уси лителя 2,причем коэффициент нропорциональности зависит от степени неравенства коэффициентов передачи, Выходное напряжение устройства, возникающее на выходе усилителя 7 фототока, регистрируется измерительным прибором 10, показания которого пропорциональны величине контролируемого тока 3 . 30 Предлагаемое устройство имеет большую линейность характеристики в области малых токов, так как свето- излучатели при этом работают в Режи,ме, близком к начальному, т.е. в наиболее линейной части их характеристик.При измерении больших токов линейность характеристики устройства так же выше, поскольку нелинейность характеристик фотоприемников не влияет, вотличие от известного устройства налинейность передаточной характеристики устройства в целом. Это связано стем, что фотоприемники в предлагаемом.устройстве работают в наиболее оптимальном для них режиме - при практически постоянной освещенности, т.е,при неизменной рассеиваемой на нихмощности, причем величина освещенности может быть выбрана такой, чтобыполезный фототок был значительнобольше темнового, что повышает стабильность работы предлагаемого устройства,Предлагаемое устройство имеет бо"лее высокую температуру и временнуюстабильность, обусловленную полнойсимметрией его оптоэлектронного тракта и близким расположением фотоприемников один относительно другого, находящихся вследствие этого практичеСки в одинаковых температурных условиях, а также повышенное быстродействие, связанное с наличием жесткой отрицательной обратной связи,охватывающей фотоприемники, снижающей их эквивалентную постоянную времени.Кроме того, предлагаемое устройство более устойчиво к изменениюнапряжений питания и смещений, таккак все светоизлучатели и фотоприемники включены в нем по дифференциальным схемам,и позволяет измерять токиобеих полярностей.Использование предлагаемого устройства позволяет повысить точностьизмерений в условиях изменения внешних влияний и параметров оптоэлект"ронных элементов.