Устройство для бесконтактного измерения тока

Устройство для бесконтактного измерения тока

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

(1-

С.Ф.Глаголев, В.П.Зубков, Т.П.Королева, Л.А.Кузнеца за, В.Б,Архангельский и И.H.,Червинский„,, . -.-.**-м--* ° --- — " ------ тока (72) Авторы изобретеиия.(73) Заявитель (4) УСТРОЙСТВО,ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИЗМЕРЕНИЯ

ТОКА

3 а

Изобретение относится к электро:измеритеяьной технике и предназначе4 но для использования при контроле постоянного или медленно меняющегося тока на линиях электропередач высокого напряжения.

Известно устройство для бескон" тактного измерения тока, содержащее на стороне высокого напряжения пер-. . вичную ячейку Фарадея, а на стороне, низкого напряжения - источник поля1а

; ризованного света, фотоприемМик с последовательно установленными кьмпенсационной ячейкой Фарадея, анализатором и фотодетектором, усилитель

3S компенсационного тока, вход которого соединей с выходом Фотодетектора, а выход через образцовый резистор

: подключен к обмотке. компенсациойной ячейки Фарадея (1 .

Недостатки известного устройства заключаются в значительных аддитив-. ной и мультиплекативной погрешностях. Аддитивная погрешность обуслов лена дрейфом нуля усилителя постоянного тока. Иультипликативная погрешность вызвана недокомпенсацией угла поворота плоскости поляризации из-за ограниченного коэффициента передачи .усилителя. Увеличение же коэффициента передачи усилителя может привести к потере устойчивости системы компенсации и самовозбуждению. Кроме того, для расширения диапазона измеряемых токов приходится значительно увеличивать габариты и вес компенсацион ной ячейки Фарадея, а также потреб, ляемую ею мощность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для бесконтактного измерения тока, содержащее на стороне высокого напряжения первичную ячейку

Фарадея, а на .стороне низкого напряжения " источник-поляризованного света, фотоприемник с последовательно установленными компенсационной ячейкой Фарадея, взимутальным модуля-, 91 7099 тором, анализатором и фотодетектором, селективный усилитель, вход которого соединен с выходом фотодетектора, генератор модуляционного тока, выход которого подключен к обмотке аэимутального модулятора, синхронный детектор, входы которого соединены с выходами селективного усилителя и генератора модуляционного тока, усилитель компенсационного тока, вход которого подключен к выходу синхронного детектора, а выход соединен с обмоткой компенсационной ячейки

Фарадея через первый образцовый резистор, связанный с шиной нулевого потенциала.

В указанном устройстве усиление . сигнала фотодетектора осуществляется сначала на частоте модуляции и только после синхронного детектированияна постоянном токе. В связи с этим аддитивная погрешность от дрейфа нуля усилителя постоянного тока оказывается невысокой. Опасность самовозбуждения и мультипликативная погрешность от недокомпенсации также в значительной мере уменьшены, поскольку усиление осуществляется двумя .последовательно включенными усилителями с различными частотными характеристиками (2).

Однако данное устройство имеет и ряд недостатков, которые проявляются в малой величине компенсируемого угла поворота плоскости поляризации, значительных габаритах и весе компенсационной ячейки Фарадея, а также большой потребляемой мощности, расходуемой в цепи компенсационной ячейки Фарадея. Все эти недостатки обусловлены малой постоянмой Верде диамагнитного стекла (тяжелого флинта), которое используется в качестве сердечника (рабочего тела) в компенсационной ячейке

Фарадея, обычно представляющей собой соленоид.

Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых токов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для бесконтактного измерения тока, содержащем на стороне высокого напряжения первичную ячейку Фарадея, а на стороне низкого напряжения - источник поляризованного света, фотоприемник с последовательно установленными компенсационной ячейкой Фарадея, азимутальным модулятором, анализатором и фотодетектором, селективный усилитель, вход которого соединен с выходом фотодетектора, генератор модуляционного тока, выход которого подключен к обмотке азимуs тального модулятора, синхронный детектор, входы которого соединены с выходами селективного усилителя и генератора модуляционного тока, усилитель компенсационного тока, вход которого подключен к выходу синхронного детектора, а выход соединен с обмоткой компенсационной ячейки Фарадея через первый образцовый резистор, связанный с шиной нулевого потенциала, на стороне низкого напряжения взедены калибровочная ячейка Фарадея, генератор калибровочного тока, второй образцовый резистор, управляемый делитель напря20 жения, фазавращатель, блок вычитания, усилитель сигнала калибровочной частоты и дополнительный синхронный. детектор, а сердечник компенсационной ячейки Фарадея выполнен иэ парамаг?$ нитного стекла, йричем обмотка калибровочной ячейки Фарадея подключена к выходу генератора калибровочного тока через второй образцовый резистор, связанный с шиной нулевого по30 тенциала, сигнальный вход управляемо- го делителя напряжения соединен с неэаземленным выводом первого образцового резистора, управляющий вход. с выходом дополнительного синхронного детектора, а выход - с одним из входов блока вычитания, другой вход которого через фазовращатель подключен к незаземленному выводу второго образцового резистора, вход усилителя щ сигнала калибровочной частоты соединен с выходом блока вычитания, являющимся общим выходом устройства, а выход - с одним из входов дополнительного синхронного детектора, другой вход которого подключен к выходу генератора калибровочного тока.

Сердечник компенсационной ячейки

Фарадея выполнен из парамагнитного стекла с большой постоянной Верде.

Однако парамагнитное стекло обладает значительной температурной зависимостью постоянной Верде, что в принципе может привести к большой дополнительной мультипликативной погрешности от изменений температуры. В связи с этим предложенное устройство снабжено системой исключения мульти— пликативной погрешности от темпера5 9170 турной зависимости постоянной Верде, включающей в свой состав перечисленные выше калибровочную ячейку фарадея, генератор калибровочного тока, второй образцовый резистор, управляе-, 5 мый делитель напряжения, фазовраща-. тель, блок вычитания, усилитель сигнала калибровочной частоты и дополнительный синхронный детектор.

Путем управления коэффициентом передачи управляемого делителя напряжения, который изменяется таким образом, чтобы поддерживался постоянным коэффициент, преобразования устройства, удается исключить мультипликативную погрешность, обусловленную изменениями температуры сердечника компенсационной ячейки Фарадея.

Контроль за значением коэффициента преобразования устройства осуществ- 20 ляется с помощью калибровочной ячейки Фарадея, питаемой переменным, например синусоидальным током. Частота калибровочного тока выбирается настолько низкой, чтобы система компен- 5 сации успевала компенсировать угол поворота плоскости поляризации, обусловленный калибровочной ячейкой Фарадея,, с допустимой амплитудой и фазовой погрешностью. Через первый зв образцовый резистор протекает, поми-. мо постоянной составляющей компенсационного тока, обусловленной измеряемым током, еще и переменная составляющая, ампЛитуда которой зависит от угла поворота плоскости поляризации в калибровочной ячейке Фарадея и постоянной времени компенсационной ячейки Фарадея. Поддерживая амплитуду переменной составляющей напряжения на выходе управляемого делителя равной напряжению на втором образцовом резисторе можно обеспечить посто. янство коэффициента преобразования устройства. В результате предлагае- 4> мое устройство по точности измерения оказывается примерно одинаковым с известными, но имеет более широкий диапазон измеряемых токов, меньшие вес, габариты и потребляемую мощность

На чертеже представлена функциональная схема предложенного устройства для бесконтактного измерения тока.

Оптическая часть устройства содержит размещенные по ходу светового луча источник 1 поляризованного cseта, калибровочную ячейку 2 Фарадея, 99 6 первичную ячейку.3 Фарадея (первичный измерительный преобразователь силы тока в угол поворота плоскости поляризации), компенсационную ячейку

4 Фарадея (компенсатор угла поворота ,плоскости поляризации), азимутальный модулятор 5, анализатор б и фотоде тектор 7.

В качестве источника 1 поляризованного света может использоваться лазер или источник неполяризованного света в сочетании с поляризатором.

В последнем случае для формирования узкого пучка, передаваемого на расстояние в несколько метров, применяют коллиматор. Сердечники калибровочной 2 и первичной 3 ячеек Фарадея изготовлены из диамагнитного стекла, у которого постоянная Верде не зависит от температуры. Сердечник компенсационной ячейки 4 фарадея выполнен из парамагнитного стекла с большой постоянной Верде.

В состав электронной части устройства входят селективный усилитель 8, синхронный детектор 9, усилитель 10 .компенсационного тока, образцовый резистор ll, генератор 12 модуляционного тока, генератор 13 калибровочного тока, образцовый резистор 14, управляемый делитель 15 напряжения, блок 16 вычитания, фазовращатель 17, усилитель 18 сигнала калибровочной частоты и синхронный детектор 19.

Устройство работает следующим образом.

Линейно поляризованный свет от источника 1 света проходит через калибровочную ячейку 2 Фарадея, которая питается переменным током, например, синусоидальной формы, от генератора

13 калибровочного тока через обраэцо« вый резистор 14 ° Возникающий в калибровочной ячейке 2 поворот плоскости поляризации оказывается пропорциональным калибровочному току и напряжению на образцовом резисторе 14.

Поскольку сердечник ячейки 2 изготовлен из диамагнитного стекла, пос- тоянная Верде которого не зависит от температуры, амплитуда угла поворота плоскости поляризации определяется только амплитудой протекающего через данную ячейку тока °

После калибровочной ячейки 2 световой поток через воздушный канал связи поступает в первичную ячейку

3 Фарадея, где плоскость поляризации

99 8 и сглаженный сигнал после синхронного детектора 9 усиливается усилителем

10 компенсационного тока и поступает в обмотку компенсационной ячейки 4

Фарадея. При достаточно большом коэффициенте усиления усилителей 3 и

10 ошибка от недокомпенсации оказыаа" ется меньше допустимой. Напряжение, пропорциональное компенсационному току и сумме измеряемого и калибровочного углов поворота плоскости поляризации, снимается с образцового резистора 11. Напряжение, снимаемое с образцового резистора 11, поступает на управляемый делитель 15, изменения коэффициента передачи которого позволяют исключить мультипликативную погрешность от изменения постоянной

Верде. Для формирования сигнала ошибки напряжение с выхода управляе-. мого делителя t5 напряжения и напряжение с образцового резистора 14; пропорциональное .калибровочному углу поворота плоскости поляризации, поступают на входы блока 16 вычитания. При отсутствии на выходе блока 16 вычитания напряжения калибро" вочной частоты мультипликативная погрешность от. изменения постоянной Верде компенсационной ячейки 14 Фарадея. также отсутствует. Фазовращатель

17 позволяет скомпенсировать сдвиг фаз, который возникает в цепи компенсации угла поворота плоскости поляризации. Это необходимо для исключения квадратурной составляющей в напряжении на выходе блока 16 вычитания.

Разностный сигнал калибровочной частоты усиливается в усилителе 18, выпрямляется синхронным детектором

19 и подается на управляющий вход управляемого делителя. 1$ напряжения.

Коэффициент деления делителя 15 из-. меняется таким образом, чтобы напряжения калибровочной частоты на входах блока 16 вычитания оказались равными, Выходное -напряжение устройства ОВь,„, снимается с выхода блока 16 вычитания, где переменная составляющая калибровочной частоты отсутствует;

Предлагаемое, устройство позволяет проводить измерение постоянного или медленно меняющегося тока без разрыва цепей и без отбора мощности иэ линий электропередач,. формула. изоЬретения

9170 ,света поворачивается на угол, пропорциональный силе измеряемого тока.

Ячейка 3 включает в себя шину с измеряемым током, сердечник из диамагнитного стекла, находящийся в магнитном 5 поле тока, а также возвратно-отражающую систему (условно показанную на схеме в виде двух зеркал), которая направляет входящий световой поток вдоль оси сердечника, а выходящий световой поток - в сторону .Фотоприемника.

Световой поток, прошедший первичную ячейку 3 Фарадея, пропускается далее через компенсационную ячейку

4 Фарадея, представляющую собой соленоид с сердечником из парамагнит.ного стекла, которое обладает большой постоянной Верде. В компенсационной ячейке 4 Фарадея происходит поворот 2з плоскости поляризации, равный по величине и противоположный по знаку пово.ротам калибровочной 2 и первичной 3 ячеек Фарадея.

I 25

Вышедший из компенсационной ячейки

4 Фарадея световой поток через азимутальный модулятор $ и анализатор

6 направляется к фотодетектору 7.

Азимутальный модулятор 5 выполнен в зв виде ячейки Фарадея, rio обмотке которой проходит переменныи ток от гене- 1 ратора 12 модуляционного тока. Модуляционный ток может иметь, например,, синусоидальную или прямоугольную

Форму. Анализатор 6 преобразует изменения азимута плоскости поляризации падающего на него излучения в изменения потока излучения, подводящегося к Фотодетектору 7. В качестве послед-4О него могут использоваться Фотоумножитель, Фотодиод и т.п. При полной компенсации компенсационной ячейкой

4 Фарадея углов поворота плоскости поляризации в калибровочной 2 и пер"

45 вичной 3 ячейках Фарадея в спектре тока фотодетектора 7 отсутствует пер-: вая гармоника частоты азимутальной модуляции. Присутствие первой гармоники фототокв говорит о неполной коййенсации названных. углов поворота

50 плоскости поляризации. Сигнал фотодетектора 7 усиливается селективным усилителем 8 и поступает на .синхронv

I ныи детектор 9. Усилитель 8 и детектор 9 настроены на частоту аэимуталь55 ной модуляции. На опорный вход -синхронного детектора 9 поступает напряжейие частоты модуляции. Выпрямленный

Устройство для бесконтактного из" марвния тока, содержащее на стороне

9 9170 высокого напряжения первичную ячейку

Фарадея, а на стороне низкого напряжения - источник поляризованного света, фотоприемник с последовательно установленными компенсационной ячейкой Фарадея, азимутальным модулятором, анализатором и фотодетектором селекгивный усилитель, вход которого соединен с выходом Фотодетектора,генератор модуляционного тока, выход 1б которого подключен к обмотке азимутального модулятора, синхронный дЕтектор, входы .которого соединены с выходами селективного усилителя и:: генератора модуляционного тока,. уси- l$ литель компенсационного тока, вход.: которого подключен к выходу синхрон" ного детектора, а выход соединен е

: обмоткой компенсационной ячейки Фарадея через первый образцовый резистор, 2е связанный с виной нулевого потенциа" ла, с т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых токов, на стороне низкого найря-! жения введены калибровочная ячейка . 2s !, Фарадея, генератор калибровочного тока, второй образцовый резистор„. управляемый делитель напряжения, фвзовращатель, блок вычитания, усили-. тель сигнала калибровочной частоты jo и дополнительный синхронный детектор., 99 10 а сердечник компенсационной ячейки

Фарадея выполнен из парамагнитного стекла, причем обмотка калибровочной ячейки Фарадея подключена к выходу генератора калибровочного тока через второй образцовый резистор, связанный с анной нулевого потенциала, сигнальный вход управляемого делителя напряжения соединен с незаземленным выводом первого образцового резистора, управляющии вход - с выходом дополнительного синхронного детектора, а выход - с одним из.входов блока вычитания, другой вход которого через фаэовращатель подключен к незаземленному выводу второго обраэцовога резистора, вход усилителя сигнала калибровочной частоты соединен с -выходом блока вычитания. являющимся общим выходом устройства, а выход с одним из входов дополнительного . синхронного детектора, другой вход которого подключен к выходу генератора калибровочного тока.

Ф. Источники информации, принятые во внимание при экгпертизе

1. Патент Франции It 1509786, кл. G 01 К, 196 .

2. Патент Франции И 15557999 кл. G 01 к, 1968.

917099

Составитель Л.Иорозов .

Редактор H.Ãðèâàíoâà Техред й. Рейвес Корректор С Шекмар е е м е» » ЮМ

Заказ 1880 64 Тираж 719 Подписное

8НИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений, и открытий

113035, Москва, И-35, РаушскЛя наб., д. 4/5 фйлиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектйая, 4