Способ измерения тока
Иллюстрации
Реферат
И. H. Сапранков и Х.-Ходжанепесов (72) Автори изобретения (7!) Заявители
Физикогехнический институт АН Туркме (64) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА
Изобретение относится к измерительной технике, и предназначено для бесконтактного измерения больших постоянных токов
Известен способ бесконтактного измерения тока, основанный на измерении магнитного потенциала, действуюшего вдоль замкнутого контурами, охватываюИ шего токопровод с измеряемым током Д.
Определение силы тока осуществляется на основе известного закона полного тока. ф и, -и где H — тангенциальная составляюшая н напряженности магнитного поля на участке дб замкнутого контура Ь
Данный способ предусматривает одновременное измерение тангенциальной составляюшей Я" напряженности магнитного
1 поля в и точках замкнутого контура, охватываюшего токопровод, и определение силы измеряемого тока по сумме элементарных магн итных потенциалов Н ; < и
Wb,Ю;, действуюших на каждом элементарном отрезке h,9 замкнутого койтура 4,т.е. и
) -7н .И1.
5 Ь1
Необходимая точность измерения тока может быть достигнута либо за счет увеличения числам-дискретных точек измерения, либо за счет точного определения коэффициента пропорциональ-. и ности между замеренным значением М и истинным значением измеряемого то1 ка в токопроводе (1).
Известный способ обладает следуюшими недостатками, при высокой неоднородности магнитного поля, имеюшей место при протекании тока по токопроводу сложного профиля, для измерений
zo требуется огромное количество высокоточных, а следовательно, дорогостояших измерителей чапрюкенности магнитног о поля. Попытка уменниениа необходимого количества из < рп н.лей напряженности магнитного поля за счет использования магнитных концентраторов поля (например, ферромагнитного ярма с определенным количеством немагнитных зазоров, в которых размещены измерительные 5 преобразователи) также наталкивается на ряд трудностей, обусловленных возможностью насыщения ферромагнитного ярма «это резкое увеличение массы в зависимости от роста верхней границы 16 динамического диапазона измеряемого тока, влияние гистерезиса ферромагнитного материала и др.
Увеличение точности измерения за счет точного определения коэффициента пропорциональности между показаниями измерителей и истинным значением измеряемого тока также наталкивается на определенные трудности. В частности, из-за сложности профиля токопровода невозможно2й с достаточной для практики точностью получить значение этого коэффициента, а экспериментальное определение значения .этого коэффициента требует проведения проверки и калибровки всей системы токопровод- измеритель, в целом,,т. е. требует изготовления специальных конструк« ций токопроводов (например, монолитных с закрепленными на них измерителями напряженности поля). При этом калибровка такой системы в одном месте с последующим ее монтажем на рабочем месте со провождается погрешностями, возникаю " " шими из-за наличия вблизи измерителя обратной ветви токопровода, посторонних ферромагнитных масс и т. и.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ измерения больших токов, основанный на измерении тангенциальной составляющей напряженности поля ву -точках контура
40 последовательно во времени и одновременно с измерением напряженности магнитного поля в 8+1 точке пространстве, при этом магнитный потенциал, действующий в замкнутом контуре, определяют по за-. меренному значению измеряемой составляющей в первой точке контура и по ее измеренным значениям в остальных 4-1 точках контура с учетом относительного приращения этих значений за время пере- и хода от измерения в первой точке к измерению к текущей точке которое определяют по приращению измеряемой величины в И+1 точке пространства.
Поскольку этим способом предусматривается измерение тангенциальной сос« тавляющей напряженности поля в точках, расположенных по контуру L последова3 966608 4 тельно во времени, то удается при мини« муме средств (а именно, одним измерителем тангенциальной составляюшей напряженности поля) достичь высокой точности измерения, так как количество точек измерений может быть сколь угодно большим. По количеству точек измерения, а также времени измерения напряженности поля, определяют время
7> измерения тока 3, т. е. ти= ИФ и.
Указанный способ обеспечивает высокую точность измерения, возможность проведения измерений токов неограниченной величины, отсутствие влияний на точность измерений внешних источников стационарных магнитных полей (поле намагниченных,тел, поле земного маг- нетизма и г. и.), а также минимум тех- нических средств и экономических затрат, необходимых для его реализации.
Из-за значительного времени измерения следует указать преимущественную область применения известного способапроведение калибровки и поверки измерителей больших токов других системЯ.
Однако точность измерения больших токов известным способом ограничена влиянием сторонних нестационарных магнитных полей (фоновых, аддитивных составляющих, например, поле тока соседней энергосистемы). Эти поля влияют как на показания перемещаемого вдоль контура измерительного преобразователя, так и на показания стационарного измерительного преобразователя.
Действительно, результирующий вектор Ннапряженности поля в любой точке
1. пространства определяется вектором .
1 напряженности информационного поля и
° фод вектором Ц .Днапряженности аддитивного (фонового) поля, т. е.
Наличие нестабильной во времени аддитивной составляющей напряженности поля приводит к погрешности измерения, I которая может быть представлена двумя составляющими: аддитивной составляющей погрешности измерения, обусловленной влиянием аддитивной составляющей напряженности поля на результат измерения тангенциальной составляющей напряженности поля aVI точках, расположенных по контуру 4, и мультипликативной составляюшей погрешности измерения, обусловленной воздействием аддитивной составляю ней напряженности поля на стационарный измерительный
5 ОВСОВ 6 женностк поля в И+1 точке пространства за временной интервал между проводимыми измерениями, замкнутому контуру придают форму, имеющую центральную ось симметрии, измерения тангенцнальной составляюшей напряженности магнитного поля осушествгнпрт одновременно в попарно симметричных точках конту рв, дополнительно измеряют составляющую напряженности магнитного поля в И+ Е точке пространства, расположенной симметрично относительно оси симметрии и+1 точки пространства, причем суммирование результатов измерения тангенциальной составляюшей напряженности магнитною поля в И- точках контура осуществляют с учетом тиосительного измерения усредненного значения напряженностей поля в 1 +1 и И+2 точках пространства.
Способ осуществляют следующим образом.
Пусть токопровод с измеряемым током 1„ охвачен контуром в виде окружности радиуса Е, с расположенными . на ней
И. точками измерения тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля. На удалении Я,>> г от токопровода с измеряемым током расположен токопровод с током 3®» < другой энер- госистемы; при этом в пределах измерительного контура li можно фоновое маг-нитное поле считать однородным, т. е. его напряженность имеет в один и тот же момент времени постоянное для всех точек этого обьема направление и значение.
Обозначим две симметрично расположенные на контуре точки индексами 1 и ("- . + +) соответственно). Тогда в моЯ мент измерения 4 для информативных
1 составляюших напряженности магнитного поля в этих точках можно записать вы» ражения и» ч
И„=Ч оЧ Ч+, и Н„ +„*НоЧци й+4) Чт..
А, для результирующей тангенцивльной; составляющей напряженности информативного и фонового полей с учетом того, что первое относительно измерительного контура является циркулярным, а второе - однородным, будут справедливы следующие выражения преобразователь, т. е. на точность измерения информативной составляющей напряженности магнитного поля в V+1 точке измерения.
Действительно в 1 -ой точке измерения наряду с тангенцнвльной составляющей H," Ч . ° О „., где Ноо = СоиЯ, и - функция, учитывающая распределение TGH HUH haoa составляющей Нр = и
=Н" Ve напряженности магнитного поля 1й вдоль контурами, Ч - функция времени, учитывающая измерение тока во времени, будет присутствовать, составляющая обусловленная аддитнвной составляющей напряженности магнитного поля 15 гдето»" = СоиМ, g< -функция, учитывающая распределение аддитивной составляющей напряженности магнитного поля ! вдоль контура 4, Ф - функция времени, учитывающая измерение во времени тока, создающего указанную вддитивную составляюшущ напряженности магнитного поля. При этом сумма вида ар, 2$
Х Но % .% . М не будет равна о Е„. нулю из-за присутствия при ее членах множителя Ч ., который и определяет
/ 1 аддитивную составляющую погрешности измерения. Поскольку значения напря- Зй женности поля в VI+1 точке, измеренные в различные моменты времени, вхо- дят в выражения для мгновенного значения измеряемого тока в качестве множителя, то влияние на результат измерения в этой точке аддитивной составляющей напряженности поля приведет к мультипликативной составляющей погреш« ности измерения.
Целью изобретения является миними- 4© зация погрешности измерения, обусловленной влиянием внешнего нестационарного магнитного поля.
Поставленная пель достигается тем, что согласно способу измерения тока, основанному на измерениях тангенциальной составляющей напряженности маг нитного поля в уточках замкнутого контура, охватывающего токопровод с измеряемыми током, измерении напряженности поля в И+1 точке пространства, . проводимых синхронного с измерениями тангенциальной составляющей напряженности в И-точках контура, определении значения измеряемого тока суммированием результатов измерения тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля в И- точках контура с учетом относительного изменения нвщммН =H""V Ч +М 9 СО (0
Ф (yj1iq) о 1(и%и) +.„
+ Но ®g,COS(4+Añ) 7 966608 8 где с(. и (d. + ) - углы между вектором а измерение усредненного значения нанапряженности фонового поля и касатель- пряженности магнитного поли в (И+1),и ными, совпадающими с магнитной осью и (И+2) точках не.подвержено влиянию используемых преобразователей, к конту- фонового поля ру, проведенными в точках (1) и (-+1) g Р р
М соответственно, Я (и+1) (их) о e(n+ ) Че („, ) )Ч „.
И +Н =H (Ч
Для стационарных точек измерения (И+1) и (И+2) можно записать анало- Таким образом, предлагаемый спогично "истему уравнений соб измерения больших токов обеспечиН ИИЧ ОА 1О вает повышенную точность измерения (и 4) о (и )Ч „+) 0 ° %+ COst из-за компенсации влияния фоновых маг)Р и
Р,Ч . Ч Н „, ) нитных полей. Действительно, проделав с А о )й измерений элементарных магнитных йотенциалов, действующих вдоль замкну-. где и (+ 7С ) - углы между векто1Б того контура, получим ряд значений ром напряженности фонового поля и маг Р и нитными осями соответствующих иэмери- й„= Но (-Ч, ЧЕ (ир „) )Ч тельных преобразователей.
При этом определение мгновенного а для усреднения значений поля в (6+1) значения суммарного элементарного маг-. и (И+2) точках измерения для ) -го моO
20 нитного потенциала на двух симметрич- . мента времени ных участках измерительного контура Н =НР осуществляется беэ дополнительной пог-, (+<)(H+i) (и+ ) (и ) = . решности. возможной ранее из-сэа влияния фонового поля О Р()I+
Ч1+Ни )+ ) Ю=Йо(Чр„+Ч (и +)) ) g
Н (ЧЕ Ч (у ))V+ АЕ Н". 6Е, Че ив+е) )>t a.е ))о ЧЕ + +Че и 2 ) о, 6(и(%1) „1 + и +
H (Vecy+„)+" ecè+õ) "4 о.
e(» + ) )Vt1А 4) о(ЧЕ и+ +ЧЕ(иig)V „
Н» Ча(и+„>+V«Ä+»)V,. * +" и (, V < ««l )+Ve())Vt(И (и(цно ЧЦи| 1>+Ч „))V+ и
"о (ЧЙ(и+ )+ V e(i ) )" t, (è ä)
=„. „"о Е;+Че(и +,>)ЬР„.Ч+„= oV „, позволяет определить мгновенное .(для момента временит.,)) значение тока " в токопроводе с высокой точностью, неза» висимо от присутствия в пределах измерительного контура однородного фонового поля, так как при этом не наблюдается влияние фонового поля на погрешность проводимых измерений.
Таким образом, предлагаемый способ измерения обеспечивает минимальную погрешность, возникающую за счет присутствия однородного фонового поля (например, иэ-еа магнитного поля земли, иэ-за полей, создаваемых токами в соседних энергосистемах, когда(КЪ7) ).
Способ обеспечивает значительное ослабление влияния неоднородных маг-, нитных полей на точность измерения больших. токов, т. е. в случае расположения токопроводов соседних энергосистем на удалениях, соизмеримых с размерами измерительного контура, охватываюшего токопровод с измеряемь)м током (т. е. К Ъ (10- 20) )" ).
На чертеже изображено устройство, реализующее предлагаемый способ.
Устройство содеркит токопровод 1 произвольного профиля, охватывающую
ToKoIIpoBoQ замкнутую направляющую B
2 в форме окружности, по которой передвигается каретка 3 с двуми преобразователями 4 и 5 тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля, установленными на ней таким образом, что они всегда находятся в диаметрально противоположных точках измерительного контура (направляющей 2). Каретка
3 при своем движении по направляющей
2 на время измерения фиксируется в реперных точках 6, расположенных на рав ных расстояниях одна относительно дру. гой. Выходы преобразователей 4 и 5 посредством сумматора 7 соединены с вхо.дом преобразователя 8 аналог-число им9 9666 пульсов. К второму входу преобразователя 8 аналог-число импульсов (вход управления коэффициентом передачи преобразователя) подсоединены посредством сумматора 9 выходы преобразователей 10 и 5
11, которые стационарно размещены по разные стороны от токопровода 1. На образующей установлен датчик 12 положения каретки 3, синхронизируюший рабочие циклы преобразователя 8 аналогчисло импульсов. К выходу преобразователи 8 аналог-число импульсов подключен счетчик 13 импульсов, поступаю« ших за время измерения напряженности поля во всех точках измерительного кон- И тура. К выходу счетчика 13 импульсов подключен регистрирующий прибор Х4. К выходу сумматора 9 подсоединен анало
ro-цифровой преобразователь 15..
26
В исходный момент вреьениФ при нахождении каретки 3 в положении, совпадаюшем с одной из реперных точек 6, осуществляется измерение тангенциальной составляющей напряженности магнит- 25 ного поля в этих точках и вычисление результирующего магнитного потенциала, действующего на двух симметрично
/ расположенных участках измерительного контура. 30
10 где Ь - периметр контура.
Следовательно, суммарное количество импульсов счетчика 13, зафиксированное регистрирующим прибором 14, является
Для этого выходные сигналы с преобразователей 4 и 5 через сумматор 7 подаются на вход преобразователя 8 аналог-число импульсов. Одновременно с указанными измерениями посредством преобразователей 10 и 11 измеряется напряженность поля в двух стационарных И+1 и й+2 точках, расположенных по обе стороны от токопровода 1. Выходные сигналы преобразователей 10 и 11 посредством сумматора 9 подаются на вход аналого-цифрового преобразователя
15 и вход управления коэффициентом передачи преобразователя 8. Измерения во всех ранее указанных точках производится одновременно. Это достигается за счет синхронизации преобразователя 8
,аналог-число импульсов от датчика 12 положения каретки 3. В некоторый исходный момент времени под действием результирующего выходного сигнала сумматора 9 коэффициент передачи преобразователя 8 аналог-число импульсов принимает свое номинальное значение К . о 55
Кроме этого, в этот момент фиксируется показание аналог-цифрового преобразователя 15. При этом можно записать выражение для мгновенного значения выходного напряжения сумматора, соответствующее моменту t q
0 и" (.Ч -V )V о (Че(„+„) <(8+<) Количество „импульсов, поступивших с выхода преобразователя 8 аналог число импульсов на счетчик 13 в исходный момент времени +
" ="о"о (.Чу(, +Че )Ч
> Е (и 2 ) .К моменту проведения второй группы измерений каретка 3 перемешается по направляющей 2 до совпадения со следующей реперной точкой. В этом положении производится очередное измерение тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля в двух сосеветствуюших точках измерительного контура и соответствующих двух стационарных точках измерений. При этом под воздействием выходного сигнала сумматора 9 коэффициент передачи преобразователя 8 аналог-число импульсов принимает значение, устанавливаемое с учетом отно сительного измерения уровня выходного сигнала сумматора 9, т. е.
Ио(Че(и+<) Ч el+1)) Ч
КФ, Ко и (о Че (и+„) V „„„) ) V+ò
Ч м
=к,,— ч
Таким образом, в момент времени
1 на вход счетчика 13 поступает количество импульсов
% и й.=3С ч Но(че() e(v Ð+Î)× 2
2.
Йля суммарного количества импульсов, зарегистрированного счетчиком 13 за время обхода каретки: половины периметра направляющей 3 (т. е. за "циклов измерений), можно запиеать выражение
N -XK ич м Умножив и разделив полученное выражение на g0 (расстояние между соседними точками измерения, расположенными на измерительном контуре, получим
Ко K f4 =-У.„о Е;Ь, Ь ь - — 2 науч ч ье= — 3 и э+, 11 966608 величиной однозначно определяющей (при м известном значении К и gg ) значение из- M мерямого тока 3 в момент времени 4. н
Точность измерения тока при этом опре« .деляется точностью установки значений м
К о и Ь и в незначительной степени зав висит от наличия токопроводов соседних
1 энергосистем. Исходя из показаний ре- я гистрируюшего прибора 14, могут быть с. использов ны для корректировки коэффи- И циента передачи аналого-цифровой преоб- м разователь 15. В дальнейшем, при прове- п денни проверки системы первичные преобразователи 10 и 11-сумматор 9-аналого- н цифровой преобразователь 15 могут быть 15 н использованы в качестве стационарного и измерительного средства больших токов, . д в то время как остальная часть рассмат- н риваемого измерительного комплекса может быть использована для проверки.на ро месте, в рабочих условиях эксплуатации других аналогичных измерительных средств больших токов.
Формула изобретения
Способ измерения тока, основанный на измерениях тангенциальной составляюшей напряженности магнитного поля в
O точках замкнутого контура, охватывающего токопровод с измеряемым током, измерении напряженности поля в
И +1 точке пространства, проводимых сии хронно с измерениями тангенциальной составляющей напряженности в И точках контура, определении значения иэмеряеого тока суммированием результатов изерения тангенциальной составляющей апряженности, магнитного поля в И точках контура с учетом относительного изенения напряженности магнитного поля ю+1 точке пространства за временной интервал-между проводимыми нзмереними, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что целью минимизации погрешности измерения, обусловленной влиянием внешнего агнитного поля, замкнутому контуру ридают форму, имеющую центральную ось симметрии, измерения тангенциальой составляющей напряженности магнитого поля осуществляют одновременно в опарно симметричных точках контура, ополнительно измеряют составляюшую апряженности магнитного поля в И+2 точке пространства, расположенной симметрично относительно оси симметрии (ф +1) точки пространства, причем суммирование результатов измерения тангенциальной составляющей напряженности магнитного поля в И точках контура осуществляют с учетом относительного изменения усредненного значения напряженностей поля в В +1 и И+2 точках пространства.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Авторское свидетельство СССР
% 474753, кл. 601R. 19/00, 1973.
2. Авторское свидетельство СССР по заявке М 2976735/18-21, «л. 601 К 19/00, 03.09.80.
966608.
Составитель В. Костин
Редактор Е. Дичинская Техред З.Палий;Корректор М. Шароши
Закаэ 7836/62 ., Тираж 717 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4