Датчик тока

(51)5 8 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН технологичеОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ РИ ГКНТ СССР ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(71) Особое конструкторскоское бюро "Старт"(56) Шваб А, Измерения на высоком напряжении. Измерительные приборы и способы измерения. - М. Энергоатомиздат, 1983, с.170, рис.197 г.Авторское свидетельство СССР М 3741028, кл. 0 01 К 1/20, 1988.(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения постоянных, импульсных и переменных токов в цепях радио- и электроустановок, а также в устройствах релейной защиты электроэнергетических объектов низкого напряжения. Датчик тока содержит кольцевой магнитопровод 1 с зазором, обмотку 2 обратной связи, гальваномагнитный элемент 3, размещенный в зазоре магнитопровода 1, измерительный резистор 4, усилитель 5 напряжения и усилитель 6 мощности, включенные последовательно, клеммы 7 и 8 для подключения к источникам напряжения, . клемму 9 "Выход". Выводы гальваномагнитного элемента 3 соединены с входом усилителя 5 напряжения, первый вывод обмотки 2 обратной связи соединен с выходом усилителя 6 мощности, второй ее вывод - с первым выводом измерительного резистора 4 и клеммой 9 "Выход", второй вывод измерительного резистора 4 соединен с общей шиной. Кроме того, датчик тока содержит пороговый элемент 10 верхнего уровня, пороговый элемент 11 нижнего уровня, первый 12 и второй 13 аналоговые ключи и токоограничительный резистор 14. Вход порогового элемента 10 верхнего уровня соединен с первым входом порогового элемента 11 нижнего уровня и клеммой 9 "Выход", выход порогового элемента 10 верхнего уровня соединен с управляющим вхо дом первого аналогового ключа 12, выход порогового элемента 11 нижнего уровня соединен с управляющим входом второго аналогового ключа 13, Вход первого аналогового ключа 12 соединен с клеммой 7 для подключения источника положительного напряжения, вход второго аналогового ключа 13 - с клеммой 8 для подключения источника отрицательного напряжения. Выход первого аналогового ключа 12 соединен Ьс) с выходом второго аналогового ключа 13 и с СЛ первым выводом токоограничительного ре- - а зистора 14, второй вывод которого соеди- (,Д нен с выходом усилителя 6 мощности. 4 ил, К)5 10 15 20 25 30 35 40 50 55 Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения постоянных, импульсных и переменных токов в цепях радио- и электроустановок, а также в устройствах релейной защиты электроэнергетических объектов низкого напряжения до 1000 В.Целью изобретения является расширение динамического диапазона измерения.На фиг,1 приведена функциональная схема датчика тока; на фиг.2 - передаточные характеристики пороговых элементов; на фиг.З - структурная схема датчика тока; на фиг,4 - временные диаграммы работы устройства.Датчик тока содержит кольцевой магнитопровод 1 с зазором, обмотку 2 обратной связи, гальваномагнитный элемент 3, размещенный в зазоре магнитопровода 1, измерительный резистор 4, усилитель 5 напряжения и усилитель 6 мощности, включенные последовательно, клеммы 7 и 8 для подключения к источникам напряжения, клемму 9 "Выход", выводы гальваномагнитного элемента 3 соединены с входом усилителя 5 напряжения, первый вывод обмотки 2 обратной связи соединен с выходом усилителя 6 мощности, второй ее вывод - с первым выводом измерительного резистора 4 и клеммой 9 "Выход", второй вывод измерительного резистора 4 соединен с общей шиной, пороговый элемент 10 верхнего уровня, пороговый элемент 11 нижнего уровня, первый 12 и второй 13 аналоговые ключи, токоограничительный резистор 14, вход порогового элемента 10 верхнего уров-. ня соединен с первым входом порогового элемента 11 нижнего уровня и клеммой 9"Выход", .выход порогового элемента 10 верхнего уровня соединен с управляющим входом первого аналогового ключа 12, выход порогового элемента 11 нижнего уровня соединен с управляющим входом второго аналогового ключа 13, вход первого аналогового ключа 12 соединен с клеммой 7 для подключения источника положительного напряжения, вход второго аналогового ключа 13 - с клеммой 8 для подключения источника отрицательного напряжения, выход первого аналогового ключа 12 соединен с выходом второго аналогового ключа 13 и с первым выводом токоограничительного резистора 14, второй вывод которого, соединен с выходом усилителя 6 мощности,Устройство работает следующим образом.После подачи питающих напряжений и при отсутствии входного измеряемого тока выходное напряжение датчика тока О 9 близк о к нулю и определяется (фиг.З) коэффициентом усиления последовательно включенных усилителя 5 напряжения и усилителя 6 мощности, напряжением смещения нуля усилителя 5 напряжения и выходным напряжением гальваномагнитного элемента 3, например преобразователя Холла, которое определяется уровнем Вост. магнитной индукции в зазоре магнитопровода 1, вызванной остаточной намагниченностью последнего, а также собственным остаточным напряжением Иост., вызванным различными факторами (температурой окружающей среды, технологическими погрешностями и т,д.), Выходное напряжение датчика тока О 9 при отсутствии входного тока вх определяется по формуле09 = (ВостЮ 8(р) + Оост + Осмо) хЮз Р И 6 Р И 6 Р ЭЬ Р)Й 5 РР + Р Р Р Ргде ЩР) - отношение изображений индукции, возникающей в зазоре магнитопровода при протекании тока в обмотке обратной связи, к току (ток в обмотке 2 обратной связи создает магнитный поток, направленный встречно магнитному потоку, создаваемому измеряемым током вх):Яа(Р) - отношение изображений тока, протекающего в обмотке 2 обратной связи, и выходного напряжения усилителя мощности;И/5(Р) - передаточная функция измерительного резистора, отношение изображений выходного напряжения датчика тока и тока, протекающего через измерительный резистор 4;Яб(Р) - передаточная функция преобразователя Холла, отношение изображения выходного напряжения преобразователя Холла и индукции в зазоре магнитопровода 1;Я 7(Р) - передаточная функция усилителя б мощности, отношение изображения выходного тока усилителя 6 мощности к его входному напряжению;В/в(Р) - передаточная функция усилителя 5 напряжения, отношение изображений выходного напряжения усилителя 5 и его входного напряжения,В момент времени 11(фиг,4 а) поступает входной сигнал, и во входной обмотке 15 (которая также может состоять из одного витка) протекает измеряемый ток х, В магнитопроводе 1 создается магнитный поток и в зазоре увеличивается индукция. Это ведет к повышению выходного сигнала гальваномагнитного элемента 3, который усиливается усилителями 5 и 6 и поступает на обмотку 2 обратной связи. В последней1725139 тельный резистор 14. Суммарный так 2 определяется по формулеЧ ;.уищ+ауи +о а аар+ где Ю 1(Р) - отнош ласу тока обмот никающего при из х, к изображению О/2(Р) - ОтнОш Ен и вмагнитопроводе изображений и братной связи ии входного то ого тока;ражений одного то ниеи 2 менен вход изоб 1 ив индукка вх. ции Благодаря значительному коэффициенту усиления (Ку ;1) выходных сигналов гальваномагнитного датчика 3 усилителями 5 и 6, уровень тока в обмотке 2 обратной связи поддерживается таким, что результирующий магнитный поток в магнитопроводе 1 близок к нулю, и его уровень определяется практически остаточным потоком и пото ком, вызванным статической ошибкой контура регулирования. Таким образом, уровень тока в обмотке 2 обратной связи пропорционален входному току 1 х датчика, В свою очередь, выходное напряжение 09 датчика тока (фиг.4 г), равное падению напряжения на измерительном резисторе 4, пропорционально току Ох датчика тока и определяется по формуле09 =2.Ю 5(Р).35В момент времени 12 выходное напряжение 09 датчика тока (фиг.4 г) достигает порога срабатывания 01 о порогового элемента 10 верхнего уровня, Выходное напряжение 01 о порогового элемента 10 40 скачкообразно уменьшается, что вызывает замыкание первого аналогового ключа 12.После срабатывания аналогового ключа 12 напряжение на первом выводе токоограничительного резистора 14 скачкообразно 45 увеличивается, и через него протекает ток, определяемый по формуле814Еп 06Й 14 4 к 5нойумиичипротекает ток, создающий магнитный поток, направленный встречно магнитному потоку, вызванному измеряемым током.Ток 12 протекающий в обмотке обратной связи, определяется по формулег= где Е, - напряжение питающей шины;08 - выходное напряжение усилителя 6 мощности;Й 14 - сопротивление токоограничительного резистора 14.С момента подключения резистора 1 шине питания через обмотку 2 обрат связи начинает протекать ток, равный с ме выходного тока усилителя 6 мощност тока, протекающего через токоограни Благодаря наличию глубокой отрицательной обратной связи в контуре регулирования при срабатывании аналогового ключа 12 скачкообразно уменьшается выходное напряжение 05 усилителя 5 напряжения (фиг.4 в, момент времени 12). При работе усилителя 6 мощности в классе В выходное напряжение усилителя 5 напряжения, в моменты перехода усиливаемого сигнала через ноль, резко возрастает в пределах зоны нечувствительности Ь О усилителя 6 мощности (фиг.4 в). При уменьшении выходного напряжения 09 датчика тока ниже порога отпускания 01 о происходит возврат порогового элемента 10 верхнего уровня в начальное состояние, его выходное, напряжение скачкообразно увеличивается (фиг.4 д, момент времени тз), аналоговый ключ 12 размыкается, выходное напряжение 05 усилителя 5 напряжения скачкообразно увеличивается, В момент времени т 4 выходное напряжение превышает порог срабатывания порогового элемента 11 нижнего уровня (фиг.4 г). Выходное напряжение 011 порогового элемента 11 нижнего уровня скачкообразно уменьшается (фиг,4 е) и в момент времени сзамыкается аналоговый ключ 13. Через токоограничительный резистор 14 начинает протекать ток 1 к и, благодаря глубокой отрицательной обратной связи, выходное напряжение 09 усилителя 5 напряжения скачкообразно уменьшается. При выборе тока компенсации, протекающего через токоограничительный резистор 14 в момент срабатывания аналогового ключа 13, равны выходному току усилителя 6 мощности, соответствующему предельному значению, выходное напряжение усилителя 5 напряжения скачкообразно уменьшается до уровня, равного половине зоны нечувствительности усилителя 6 мощности, В течение интервала времени 14- т 5 Датчик тока функционирует на втором поддиапазоне, а в момент времени аб входной ток уменьшается настолько, что выходное напряжение 09 датчика тока становится ниже напряжения отпускания порогового элемента 11 нижнего уровня. Последний возвращается в исходное состояние, его выходное напряжение скачкообразно увеличивается (фиг,4 е, момент времени 15). Таким образом, благодаря наличию двух поддиапазонов измерения расширяется динамический диапазон выходных сигналов (по току), поступающих вцепь обратной связи в виде обмотки 2 обратной связи,Формула изобретенияДатчик тока, содержащий кольцевоймагнитопровод с зазором, обмотку обратной связи, гальваномагнитный элемент,размещенный в зазоре магнитопровода, измерительный резистор, усилитель напряжения и усилитель мощности, включенныепоследовательно, клеммы для подключения 10к источникам напряжения и клемму "Выход", выходы гальваномагнитного элементасоединены с входами усилителя напряжения, первый вывод обмотки обратной связисоединен с выходом усилителя мощности, 15второй вывод обмотки обратной связи соединен с первым выводом измерительногорезистора и клеммой "Выход", второй вывод измерительного резистора соединен собщийшиной,отличающийсятем,что, 20с целью расширения динамического диапазона измерения, в него введены пороговые элементы верхнего и нижнего уровней, первый и второй аналоговые ключи, токоограничительный резистор, причем вход порогового элемента верхнего уровня соединен с первым входом порогового элемента нижнего уровня и клеммой " выход", выход порогового элемента верхнего уровня соединен с управляющим входом первого аналогового ключа, выход порогового элемента нижнего уровня соединен с управляющим входом второго аналогового ключа, вход первого аналогового ключа соединен с клеммой для подключения источника положительного напряжения, вход второго аналогового ключа соединен с клеммой для подключения источника отрицательного напряжения, выход первого аналогового ключа соединен с выходом второго аналогового ключа и с первым выводом токоограничительного резистора, второй вывод токоограничительного резистора соединен с выходом усилителя мощности,1725139 ф витель В.федорд М.Моргентал о еда кто орректор О о т "Патент" ород, ул, Гагарина о-издательский к изво Заказ 1173 ВНИИПИ Г Тираж ствен ного комитета 113035, Москва, ЖПодписноебретениям и открытиям при ГКНТ Саушская наб., 4/5