Амперметр действующего значения электрического тока

Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 260376 (21) 2338450/18-21с присоединением заявки йо(23) ПриоритетОпубликовано 23.12,80. Бюллетень М 47 Р 1)м К 3 6 01 й 19/02 1 осухврствеивый комитет СССР яо ледам изобретений и открытийДате опубликования описания 23 Л 280(72) Авторы изобретения А.Л. Шпади, М.И. Белый и С.Д. Шпяди ульяновский политехнический институт(54) АМПЕРМЕТР ДЕЙСТВУЮЩЕГО ЗНАЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКАИзобретение относится к электроиэмерительной технике.Известны измерительные преобразователи действующего значения электрического напряжения и тока, содержащие измерительный трансформатор,выходная обмотка которого соединеначерез полупроводниковый выпрямительи индикатор с квадратичным детектором на диодно-резистивной цепочкес кусочно-гладкой аппроксимацией,подключенным к эталонному источникупостоянного напряжения 11 .Однако данное устройство имеетсложную конструкцию квадратичногодетектора, требует особой стабильности эталонного источника постоянного напряжения, и способно преобразовывать при трансформаторной развязке измерительных цепей действующиезначения только переменного токаи напряжения.Цель изобретения - расширениеФункциональных возможностей засчет измерения тока с постояннойсоставляющей, а также повышение надежности и стабильности работы прибора.Поставленная цель достигаетсятем, что амперметр действующего значения электрического тока, содержащий измерительный трансформаторс входной и выходной обмотками и;индикатор среднего значения, подклю ченный к выпрямителю, снабжен балансным интегратором, транзисторнымкаскадам с двумя диодами и времязадающей цепью, состоящей из последовательного соединения резистора и 10 конденсатора, причем сердечникиизмерительного трансФорматора выполнены прафилированными и на них расположены включенные попарно последовательно-встречна две секции коллек торной обмотки транзисторного каскада и две секции, обмотки обратной связи, подключенные соответственно через первый диод к базе и черезцепь, состоящую из времязадающего 3 конденсатора и второго диода - кэмиттеру транзисторного каскада, авыходная обмотка трансформатора,также состоящая из двух секций, подключена к выпрямителю чере;з баланс ный интегратор, причем каждая издвух тороидальных частей сердечникаизмерительного трансФорматора состоитиз отдельных Ферромагнитных колециз материала с прямоугольной петлей 3 О гистерезиса, имеющих сечение, пропорциональное радиусу кольца и коэрцитинной силе материала с общим количеством колец, равным количеству участков аппроксимации вебер-амперной квадратичной характеристики преобразования измерительного трансформа тора.На фиг. 1 изображена принципиальная схема амперметра; на Фиг. 2 - поперечный разрез измерительного трансформатора амперметра; на Фиг. 3 - р эпюры напряжений и токов в различных точках схемы амперметра.Амперметр действующего значения электрического тока содержит измерительный трансформатор 1,профилиронанный по сечению, сердечникИ которого выполнен из двух тороидальных частей 2 и 3, причем каждая из этих частей может быть набрана из отдельных Ферромагнитных колец 4, изготовленных из материала с прямо угольной петлей гистерезиса, с переменным сечением. На обе части 2 и 3 сердечника намотаны включенные попарно последовательно-встречно две секции 5 и 6 обмотки обратной связи и две секции 7 и 8 коллекторной обмотки транзисторного каскада адаптивного генератора импульсов тока.Транзисторный каскад адаптивного генератора импульсов тока собран на транзисторе 9 по схеме блокинггенератора, в коллекторной цепи которого, помимо секций 7 и 8 коллекторной обмотки, включен ограничительный резистор .10, а в базовую цепь, помимо секций 5 и б обмотки обратной связи, включен предохранительный диод 11, Времязадающий конденсатор 12 транзисторного каскада, зашунтированный фиксирующим диодом 13, 40 подключен одним концом к эмиттеру транзистора 9 и одному полюсу источни+ ка питания, а другим концом - к общему выводу соединения обмотки обратной связи и времяэадающего резистора 14, подключенного также к связанному с другим полюсом источника питания; выводу коллекторной обмотки измерительного трансформатора 1, секции 15 и 16 выходной обмотки уО которого соединены последовательно- согласно между собой, и включены последовательно с потенциомвтром 17.Причем секции 5 и 6 обмотки обратной связи, секции 7 и 8 коллекторной обмотки и секции 15 и 16 фф выходной обмотки намотаны на каждой иэ частей 2 и 3 сердечника йзмерительного трансформатора 1 в отдельности, в то время как входная обмотка 18,которая выполнена в виде 40 крепежного винта с токопроводящими контактами, охватывает обе части 2 и 3 сердечника одновременно. Средний вывод потенциометра 17 и сРедний вывод соединения секций 15 и 16 выходной обмотки подключены к конденсатоРУ19 емкостного балансного интегратоРа, который включает н себя такжепотенциометр 17. Индикатор среднегозначения 20, подключен к выходу балансного интегратора, параллельноконденсатору 19, через последовательно соединенные диод 21 однополупериодного выпрямителя и переменный резистор 22 регулировки чувствительностииндикатора среднего значения, Усилитель напряжения телеметрическогоканала, собранный по схеме с общейбазой на транзисторе 23, нагруженна выходной кабель 24 этого канала,в то время как вход усилителя подключен к последовательно соединенныминдикатору среднего значения 20 идиоду 21 однополупериодного выпрямителя, причем полярность включениядиода 21 противоположна полярностивключения перехода эмиттер-базатранзистора 23. В процессе работы амперметра действующего значения электрического тока, транзистор 9 периодически открынается за счет блокинг-процесса н его базовой цепи, н которой нключен предохранительный диод 11, препятствующий попаданию на базу транзистора 9 большого обратного напряжения, и по секциям 7 и 8 коллекторной обмотки измерительного трансформатора 1 протекают импульсы тока с амплитудой намагничинающей силы, не менее чем вдвое превышающей максимальные амплитудные значения намагничивающей силы измеряемого электрического тока произвольной формы (фиг.3 а) который протекает по секции 16 выходной обмотки измерительного трансформатора 1, причем амплитуда им-, пульсон напряжения транзисторного каскада (Фиг. 3 в) ограничивается до необходимой величины резистором 10.Временные параметры транзисторного каскада адаптивного генератора импульсов тока определяются режимом намагничивания и величиной намагниченности от входного тока Э обеихВхчастей 2 и 3 сердечника измерительноно трансформатора, а также величинами времязадающей цепи из конденсатора 12.и резистора 14, но в отличии от обычного блокинг-генератора, у которого намагниченность сердечника не меняется от импульса к импульсу, намагниченность сердечника измерительного трансформатора 1 амперметра изменяется при изменении измеряемого электрического тока 3, и за счет уменьшения времени перезаряда время- задающего конденсатора 12 включением параллельно ему фиксирующего диода 13, достигается адаптивное изменение периода срабатывания транзисторного каскада, пропорциональное изменениг величины измеряемого тока.В отсутствии измеряемого тока обечасти 2 и 3 сердечника измерительноготрансформатора 1 по существу не изменяют своего магнитного состояния, таккак уже первый импульс тока в секци-..ях 7 и 8 коллекторной обмотки перемагничивает обе части 2 и 3 сердеч)ника в насыщенное магнитное состояние,которое не изменяется между импульсами тока, вследствие наличия прямоугольной петли гистерезиса у материала сердечника. Период срабатывания в этом случае определяется перемагничиванием обеих частей 2 и 3сердечника по насыщенному участкупрямоугольной петли гистерезиса, аимпульсы тока в секциях 15 и 16 выходной обмотки имеют противоположную полярность и могут быть скомпенсированы в балансном интегратореамперметра.При протекании измеряемого тока ,2 О3по входной обмотке 18 измерительного трансформатора 1, на каждомпериоде спада импульса тока в секциях7 и 8 коллекторной обмотки транзисторного каскада, магнитное поле в обеихчастях 2 и 3 сердечника измерительного трансформатора 1 изменяется довеличины, соответствующей максимальной мгновенной амплитуде входноготока. Так как магнитное поле в тороидальном сердечнике убывает от ЗОцентра к краям, то в той части.сердечника, в которой магнитное поле,создаваемое измеряемым током, и магнитное поле, создаваемое током подмагничивания в данном цикле измерения противоположны, происходитпостепеннов перемагничивание из одного магнитного состояния в другоеопределенного объема сердечника,или же для сердечника, набранногоиэ отдельных ферромагнитных колец 4,поочередное перемагничиванив этихколец, в то время как в другой частисердечника - такого перемагничиваниянв происходит, вследствие встречноговключения секций 7 и 8 коллекторной 45обмотки измерительного трансформатора 1. Когда направление электрического тока изменяется, перемагничиваниебудет происходить в другой частисердечника. 50Благодаря тому, что изменениепрофиля сечения сердечника или жесечения и коэрцитивной силы материалаферромагнитных колец 4, пропорционально возрастанию радиуса перемаг" 55ничивающего входным током объемасердечника или же радиуса Ферромагнитных колец 4, изменение магнитного,потока в той части сердечника, вкоторой происходит перемагничивание,пропорционально удвоенным величинам 60квадратов мгновенных значений измеряемого тока, так как перемагничивающийся объем сердечника пропорционален квадрату амплитуды измеряемоготока в данный момент, а перемагничи вание в сердечнике происходит дважды эа каждый цикл измерения.Квадратичная зависимость изменения магнитного потока от величины входного тока уа получается за счет соответствующего профилирования сечения вдоль его радиуса.Использование отдельных ферромагнитных колец 4 с переменным сечением в сердечнике измерительного трансформатора позволяет получить квадратичную зависимость изменения магнитного потока от величины входного тока с кусочно-гладкой аппроксимацией и общим количеством участков аппроксимации, равным количеству ферромагнитных колец 4 в каждой части 2 и 3 сердечника измерительного тран- сформатора 1, а изменение коэрцитивной силы материала ферромагнитных колец 4 позволяет расширить диапазон преобразования измерительного трансформатора 1 амперметра.Поскольку частота транзисторного каскада амперметра зависит от намагниченности сердечника, то при быстром изменении входного тока про. исходит более частый опрос кривой входного тока, т.е, погрешность от квантования во времени в этом случае почти такая же, как при постоянном или медленно меняющемся уровне входного тока, когда частота транзисторного каскада не меняется или меняется незначительно.При этом имеем обратно пропорциональную зависимость изменения частоты транзисторного каскада в пределах рабочего диапазона от уровня намагниченности, создаваемой входным током. В процессе перемагничивания сердечника измерительного трансформатора 1 в секциях 15 и 16 выходной обмотки наводятся импульсы напряжения, вольт-секундная площадь которых определяется произвольной от соответствующих маг- нитных потоков, Поэтому, учитывая также что частота транзисторного каскада изменяется в процессе работы, для реализации операции возведения в квадрат мгновенных значений измеряемого тока с незначительной погрешностью, необходимо совершить обратйую операцию интегрирования, которая осуществляется при помощи баланс- ного интегратора на потенциометре 17 и конденсаторе 19 (фиг. 3 с)После балансного интегратора, через диод 21 однополупериодного выпрямителя и переменный резистор 22 регулировки чувствительности, на индикатор среднего значения 20 поступают импульсы напряжения 08 одной полярности (фиг. Зд), в то время, как импульсы напряжения ОылХ другой полярности (см,фиг. 3 е), через переменный резистор 22 регулировки чувствительности и транзистор 23 усилителя напряжения, поступают в789785 кабель 24 телеметрического канала, причем средние значения Уср и (/со 1 импульсов, напряжения Уввп и Выа пропорциональны сумме квадратов мгновенных значений измеряемого электрического тока.Таким образом, в амперметре реализуется вычисление извеСтного вы- ражения- Э.Ж =1 1Т 0 где 3 - показания действующего значения электрического тока индикатора амперметра - число измерений эа период, Т - период измеряемого тока - мгновенные значения измеряемого тока.Предложенный амперметр действующего значения элект;рического тока, не уступая лучшим известным устрой- ф ствам на квадратичных детекторах по точнооти и рабочему диапазону, имеет расширенные Функциональные возможности за счет способности измерять действующее значение электрческого тока при наличии постоянной составляющей, и более высокую надежность и стабильность параметров, . за счет устранения иэ схемы прибсра эталонного источника напряжения, 30 в то время как к напряжению питания используемого в амперметре не предъявляется жестких требований по стабильности,формула изобретения 351. Амперметр действующего значения электрического тока, содержащий измерительный трансформатор с входной и выходной обмотками и индикатор среднего значения, подклю О ченный к выпрямителю, о т л и ч а ющ и й .с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет измерения тока с постоянной составляющей, а также повышения надежности и стабильности работы, он снабжен балансным интегратором, транзисторным каскадом с двумя диодами к времяэадающей цепью, состоящей из последовательного соединения резистора и конденсатора, причем сердечники измерительного трансформатора выполнены профилированными и на них расположены включенные попарно последовательно-встречно две секции коллекторной обмотки транзисторного каскада и две секции обмотки обратной связи, подключенные соответственно через первый диод к базе и через цепь, состоящую из времязадающего конденсатора и второго диода - к эмиттеру транзисторного каскада, а выходная обмотка трансформатора, также состоящая иэ двух секций, подключена к выпрямителю через балансный интегратор.2. Амперметр по п. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем,чго каждая из двух тороидальных частей сердечника измерительного трансформатора состоит из отдельных Ферромагнитных колец из материала с прямоугольной петлей гистереэиса, имеющих сечение, пропорциональное радиусу кольца и козрцитивиой силе материала с общим количеством колец, равным количеству участков аппроксимации вебер-амперйой квадратичной характеристики преобразования измерительного трансформатора.Источники информации, принятые во внимание при экспертизе1. Савенко В.Г. Измерительная техника, И., "Высшая школа", 1974,18Фи а ППППатент , г. Ужгород сдпис но роектна я